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Tecnologia Hidráulica Industrial

Apostila M2001-1 BR Julho 1999

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Apresentação

Para incentivar, ampliar e difundir as tecnologias de automação industrial da Parker Hannifin, numa gama tão ampla de aplicações, foi criada, na Parker Jacareí, a Parker Training. Há mais de 26 anos treinando profissionais em empresas, escolas e universidades, a Parker Training vem oferecendo treinamento técnico especializado e desenvolvendo material didático diversificado e bem elaborado, com o intuito de facilitar a compreensão. Com instrutores qualificados, esse projeto é pioneiro na área de treinamento em automação industrial no Brasil, e colaborou para a formação de mais de 25 mil pessoas, em aproximadamente 4 mil empresas, através de cursos e materiais reconhecidos pelo conteúdo técnico e qualidade de ensino. Para alcançar tais números e continuar a atender seus clientes, de forma cada vez melhor, com uma parceria cada vez mais forte, os profissionais da Parker Training se dedicam a apresentar sempre novos conceitos em cursos e materiais didáticos. São ministrados cursos abertos ou “in company” em todo o país, através de instrutores próprios ou de uma rede de franqueados, igualmente habilitada e com a mesma qualidade de treinamento. Os cursos oferecidos abrangem as áreas de Automação Pneumática/Eletropneumática, Manutenção de Equipamentos Pneumáticos/Hidráulicos, Técnicas de Comando Pneumático, Controladores Lógicos Programáveis e Hidráulica/Eletrohidráulica Industrial com controle proporcional. São oferecidos também programas de treinamento especial com conteúdo e carga horária de acordo com as necessidades do cliente, empresa ou entidade de ensino. Faz parte dos nossos cursos uma grande gama de materiais didáticos de apoio, que facilita e agiliza o trabalho do instrutor e do aluno: transparências, componentes em corte, símbolos magnéticos, apostilas e livros didáticos ligados às técnicas de automação, gabaritos para desenho de circuitos, fitas de vídeo, software de desenho e simulação de circuitos pneumáticos e hidráulicos, além de bancadas de treinamento para realização prática destes circuitos.

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1. Introdução4
2. Conceitos Básicos5
3. Transmissão Hidráulica de Força e Energia9
4. Fluidos, Reservatórios e Acessórios13
5. Mangueiras e Conexões28
6. Bombas Hidráulicas36
7. Válvulas de Controle de Pressão59
8. Válvulas de Controle Direcional72
9. Válvulas de Retenção86
10. Válvulas Controladoras de Fluxo (Vazão)89
1. Elemento Lógico (Válvulas de Cartucho)98
12. Atuadores Hidráulicos104
13. Acumuladores Hidráulicos120
14. Simbologia125

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1. Introdução

Com a constante evolução tecnológica, tem-se no mercado a intensa necessidade de se desenvolverem técnicas de trabalho que possibilitem ao homem o aprimoramento nos processos produtivos e a busca da qualidade. Para se buscar a otimização de sistemas nos processos industriais, faz-se o uso da junção dos meios de transmissão de energia, sendo estes:

Mecânica Elétrica Eletrônica Pneumática Hidráulica

Experiências têm mostrado que a hidráulica vem se destacando e ganhando espaço como um meio de transmissão de energia nos mais variados segmentos do mercado, sendo a Hidráulica Industrial e Móbil as que apresentam um maior crescimento.

Porém, pode-se notar que a hidráulica está presente em todos os setores industriais. Amplas áreas de automatização foram possíveis com a introdução de sistemas hidráulicos para controle de movimentos.

Para um conhecimento detalhado e estudo da energia hidráulica vamos inicialmente entender o termo Hidráulica. 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.

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Para compreendermos a hidráulica e suas aplicações, se faz necessário o conhecimento básico de conceitos físicos.

Força

Força é qualquer influência capaz de produzir uma alteração no movimento de um corpo. Temos como unidade de medida de força o NEWTON (N).

Resistência

A força que pode parar ou retardar o movimento de um corpo é uma resistência. Exemplos de resistência são: o atrito e a inércia.

O Atrito como Resistência

A resistência por atrito ocorre sempre que dois objetos estejam em contato e que as suas superfícies se movam uma contra a outra.

Energia

Uma força que pode causar o movimento de um corpo é energia.

A Inércia como Energia

A inércia, sendo a relutância de um corpo a uma alteração no seu movimento, pode também ser energia. Um corpo em movimento exibe uma relutância ao ser parado, e pode assim bater em outro corpo e causar o seu movimento. Com uma bola de madeira e outra de chumbo movendo-se na mesma velocidade, a bola de chumbo exibe uma inércia maior, desde que é mais difícil parála. A bola de chumbo tem mais energia do que a bola de madeira.

A Inércia como Resistência

A inércia é a relutância de um corpo em aceitar uma alteração no seu movimento. A inércia está diretamente relacionada à quantidade de matéria no corpo. Quanto maior a massa ou a matéria em um corpo, mais pesado é este e, consequentemente, mais difícil movê-lo.

bola de madeira bola de chumbo

2. Conceitos Básicos Bola de chumboBola de madeira resistência

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Lei da Conservação de Energia

A lei da conservação de energia diz que a energia não pode ser criada e nem destruída, embora ela possa passar de uma forma à outra.

O Estado Cinético da Energia

A energia no estado cinético está em movimento. Ela causa o movimento quando toca a superfície do objeto.

O Estado Potencial da Energia

Quando no estado potencial a energia está acumulada, ela está pronta e esperando para entrar em ação, para transformar-se em energia cinética tão logo surja a oportunidade.

A energia potencial tem a propriedade de transformarse em energia cinética por causa do seu constituinte físico, ou da sua posição acima de um certo ponto de referência.

Por causa da elevação, a água contida em uma torre de água é energia potencial. Ela tem a propriedade de escoar por gravidade pela torneira de uma residência que estiver em um nível mais baixo.

A expressão que descreve o trabalho é:

Ec = m. v2

Ep = m.g.h

Trabalho = força exercida x distância do movimento = joule (Nm) (N) (m) (J)

Newton - Metro (Nm)

O Estado de Alteração de Energia

A energia potencial tem a propriedade de se transformar em energia cinética. E a energia cinética pode ser também transformada em energia potencial. A água na torre é energia potencial que se transforma em energia cinética hidráulica na torneira. Esta energia cinética se transforma em energia potencial à medida que se enche um copo.

Trabalho

É o movimento de um objeto através de uma determinada distância.

Temos como unidade para trabalho o:

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Quando aplicamos uma força de 10 kgf em uma área de 1 cm2, obtemos como resultado uma pressão interna de 10 kgf/cm2 agindo em toda a parede do recipiente com a mesma intensidade.

Este princípio, descoberto e enunciado por Pascal, levou à construção da primeira prensa hidráulica no princípio da Revolução Industrial. Quem desenvolveu a descoberta de Pascal foi o mecânico Joseph Bramah.

Princípio Prensa Hidráulica

Potência

A unidade para medir "potência" é o N.m/s. James Watt, o inventor da máquina a vapor, quis comparar a quantidade de potência que a sua máquina poderia produzir com a potência produzida por um cavalo. Por métodos experimentais, Watt descobriu que um cavalo poderia erguer 250 kgf à altura de 30,5 cm em um segundo, que é igual a:

A expressão que descreve potência é:

Definição de Pressão

Pressão é a força exercida por unidade de superfície. Em hidráulica, a pressão é expressa em kgf/cm2, atm ou bar.

A pressão também poderá ser expressa em psi (pound per square inch) que significa libra força por polegada

Lei de Pascal

A pressão exercida em um ponto qualquer de um líquido estático é a mesma em todas as direções e exerce forças iguais em áreas iguais.

Vamos supor um recipiente cheio de um líquido, o qual é praticamente incompressível.

Sabemos que:

Portanto:

Temos que a pressão, agindo em todos os sentidos

Esta pressão suportará um peso de 100 Kgf se tivermos uma área A2 de 10 cm2, sendo:

F = P x A

N m

Força exercida x distância do movimento (N) (m)

Tempo (segundos) HP =x 745

= 10 kgf

1 cm2 = 10 kgf/cm2

10 1 cm10 cm

2desenvolverá uma

pressão de 10kgf/cm (10atm) em todos os sentidos dentro deste recipiente

1.Uma força de 10kgf aplicada em um pistão de 1cm de área...

4.As forças são proporcionais às áreas dos pistões

3Esta pressão

suportará um peso de 100kgf se tivermos uma área de 10cm

ENTRADA 10kgf

1cm 100kgf 10cm= SAÍDA

F = ForçaA = ÁreaP = Pressão

1.Suponhamos uma garrafa cheia de um líquido, o qual é praticamente incompressível.

2.Se aplicarmos uma força de 10kgf numa rolha de 1cm de área...

3o resultado será uma força de 10kgf em cada

centímetro quadrado das paredes da garrafa.

4.Se o fundo da garrafa tiver uma área de 20cm e cada centímetro estiver sujeito a uma força de 10kgf, teremos como resultante uma força de 200kgf aplicada ao fundo da garrafa.

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Portanto:

Podemos considerar que as forças são proporcionais às áreas dos pistões.

Fatores de Conversão de Unidades de Pressão

F2 = P1 x A2 F2 = 10 kgf/cm2 x 10cm2 F2 = 100 kgf

1 atm=1,0333 kgf/cm2 1 atm=1,0134 bar 1 atm=14,697 psi (lbf/pol2) 1 atm=760 mmHg 1 kgf/cm2=0,9677 atm 1 kgf/cm2=0,9807 bar 1 kgf/cm2=14,223 psi (lbf/pol2) 1 kgf/cm2=736 mmHg 1 bar=0,9867 atm 1 bar=1,0196 kgf/cm2 1 bar=14,503 psi (lbf/pol2) 1 bar=759 mmHg 1 psi=0,0680 atm 1 psi=0,0703 kgf/cm2 1 psi=0,0689 bar 1 psi=51,719 mmHg

Equivalência entre Unidades de Pressão

1 atm = 1kgf/cm2 = 1 bar = 14,7 psi~ Podemos considerar:

1 bar = 14,5 psi

Conservação de Energia

Relembrando um princípio enunciado por Lavoisier, onde ele menciona:

"Na natureza nada se cria e nada se perde, tudo se transforma."

Realmente não podemos criar uma nova energia e nem tão pouco destruí-la e sim transformá-la em novas formas de energia.

Quando desejamos realizar uma multiplicação de forças significa que teremos o pistão maior, movido pelo fluido deslocado pelo pistão menor, sendo que a distância de cada pistão seja inversamente proporcional às suas áreas. O que se ganha em relação à força tem que ser sacrificado em distância ou velocidade.

Quando o pistão de área = 1 cm2 se move 10 cm desloca um volume de 10cm3 para o pistão de área = 10 cm2. Consequentemente, o mesmo movimentará apenas 1 cm de curso.

10 1 cm10 cm

2.10 centímetros cúbicos de líquido movimentarão somente 1 centímetro neste pistão.

1.Se o pistão se move 10 centímetros, desloca 10 centímetros cúbicos de líquido (1cm x 10cm = 10cm).

4.Neste ponto também teremos uma energia de 100kgf. cm (1cm x 100kgf).

3.A energia transferida será igual a 10 quilogramaforça x 10 centímetros ou 100kgf. cm.

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Antes de trabalhar diretamente com a transmissão de energia através de líquidos, torna-se necessário rever o conceito de hidráulica estudando as características de um líquido, para depois saber como uma força se transmite através dele.

Líquidos

Líquido é uma substância constituída de moléculas. Ao contrário dos gases, nos líquidos as moléculas são atraídas umas às outras de forma compacta. Por outro lado, ao contrário dos sólidos, as moléculas não se atraem a ponto de adquirirem posições rígidas.

Os Líquidos assumem qualquer forma

O deslizamento das moléculas umas sob as outras ocorre continuamente, por isso o líquido é capaz de tomar a forma do recipiente onde ele está.

Os Líquidos são relativamente Incompressíveis

Com as moléculas em contato umas às outras, os líquidos exibem características de sólidos. Os líquidos são relativamente impossíveis de serem comprimidos. Uma vez que os líquidos são relativamente Incompressíveis e podem tomar a forma do recipiente, eles possuem certas vantagens na transmissão de força.

Transmissão de Força

Os quatro métodos de transmissão de energia: mecânica, elétrica, hidráulica e pneumática, são capazes de transmitir forças estáticas (energia potencial) tanto quanto a energia cinética. Quando uma força estática é transmitida em um líquido, essa transmissão ocorre de modo especial. Para ilustrar, vamos comparar como a transmissão ocorre através de um sólido e através de um líquido em um recipiente fechado.Energia Molecular

As moléculas nos líquidos estão continuamente em movimento. Elas deslizam umas sob as outras, mesmo quando o líquido está em repouso. Este movimento das moléculas chama-se energia molecular.

Força Transmitida através de um Sólido

A força através de um sólido é transmitida em uma direção. Se empurrarmos o sólido em uma direção, a força é transmitida ao lado oposto, diretamente.

pistão móvel sólido

3.Transmissão Hidráulica de Força e Energia

Força Transmitida através de um Líquido

Se empurrarmos o tampão de um recipiente cheio de líquido, o líquido do recipiente transmitirá pressão sempre da mesma maneira, independentemente de como ela é gerada e da forma do mesmo.

Funcionamento

Conforme a pressão aumenta no sistema, o tubo de Bourdon tende a endireitar-se devido às diferenças nas áreas entre os diâmetros interno e externo do tubo. Esta ação de endireitamento provoca o movimento do ponteiro, proporcional ao movimento do tubo, que registra o valor da pressão no mostrador. Os manômetros de Bourdon são instrumentos de boa precisão com valores variando entre 0,1 e 3% da escala total. São usados geralmente para trabalhos de laboratórios ou em sistemas onde a determinação da pressão é de muita importância.

O Manômetro de Núcleo Móvel

O manômetro de núcleo móvel consiste de um núcleo ligado ao sistema de pressão, uma mola de retração, um ponteiro e uma escala graduada em kgf/cm2 ou psi.

Funcionamento

Conforme a pressão aumenta, o núcleo é empurrado contra a mola de retração. Este movimento provoca o movimento do ponteiro que está ligado ao núcleo e este registra o valor da pressão no mostrador graduado. Os manômetros de núcleo móvel são duráveis e econômicos.

Viscosidade

A viscosidade é a medida de resistência ao fluxo das moléculas de um líquido quando elas deslizam umas sobre as outras. É uma medida inversa à de fluidez.

Ver tabela a seguir

Manômetro

O manômetro é um aparelho que mede um diferencial de pressão. Dois tipos de manômetros são utilizados nos sistemas hidráulicos: o de Bourdon e o de núcleo móvel.

Manômetro de Bourdon

O tubo de Bourdon consiste de uma escala calibrada em unidades de pressão e de um ponteiro ligado, através de um mecanismo, a um tubo oval, em forma de "C". Esse tubo é ligado à pressão a ser medida.

O tubo tende a endireitar-se sob pressão causando a rotação do ponteiro

Entrada de pressão

Pistão Pivô

EntradaArticulação psig

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