Atuadores Hidráulicos Rotativos Acumuladores e Intensificadores de Pressão - Guia Completo

Seção 43 Atuadores hidráulicos rotativos acumuladores hidráulicos e intensificadores de pressão Diálogo aberto Caro aluno nas seções anteriores estudamos o sistema de conversão primária e o sistema de distribuição e controle de um sistema hidráulico bem como seus componentes e acessórios além de aprender sobre o sistema de aplicação de energia iniciando o seu estudo com os atuadores hidráulicos Nesta seção aprenderemos os atuadores hidráulicos rotativos os acumuladores hidráulicos e os intensificadores de pressão Os atuadores hidráulicos são os componentes mais importantes do sistema de aplicação de energia pois são os consumidores de energia do sistema encontrados em praticamente todos os sistemas hidráulicos Os acumuladores hidráulicos são componentes vitais nos sistemas hidráulicos pois armazenam fluido hidráulico garantindo a manutenção do sistema em perfeito funcionamento Os intensificadores de pressão são largamente utilizados para realizar operações em altas pressões com baixo custo sem necessidade de elevação de potência Como visto na unidade anterior a utilização de sistemas hidráulicos para automação e controle de processos e operações repetitivas é de grande importância tecnológica sendo deste modo utilizado atualmente em toda e qualquer área e setor industrial na indústria moderna Sendo assim nesta seção resolveremos parte da Situação da Realidade Profissional SR proposta nesta unidade que trata do dimensionamento de válvulas atuadores hidráulicos acumuladores hidráulicos e intensificadores de pressão para executar uma função específica para projetar os sistemas de distribuição e controle e de aplicação de energia de um sistema hidráulico de um setor industrial de uma empresa de pequeno porte 234 A situaçãoproblema SP3 é focada portanto em dimensionar o acumulador hidráulico e o intensificador de pressão para projetar o sistema de aplicação de energia do sistema hidráulico da SR proposta Para resolvermos a situaçãoproblema 3 estudaremos os atuadores hidráulicos rotativos os acumuladores hidráulicos os tipos de acumuladores hidráulicos o dimensionamento de acumuladores hidráulicos os intensificadores de pressão Ao final desta seção esperamos que você tenha conhecimentos técnicos e científicos suficientes para aplicar os conceitos estudados na elaboração do relatório técnico exigido na SR desta unidade Bom estudo Não pode faltar Atuadores hidráulicos rotativos Analogamente ao que foi visto na seção anterior em se tratando de sistemas hidráulicos temse que os atuadores hidráulicos são os elementos que convertem a energia hidráulica de pressão em energia mecânica força ou torque dependendo do movimento do atuador produzindo trabalho mecânico utilizado posteriormente em um processo ou operação Da mesma forma que os atuadores pneumáticos os atuadores hidráulicos são divididos em lineares e rotativos Os atuadores hidráulicos rotativos são os elementos que convertem a energia hidráulica de pressão em energia mecânica rotativa na forma movimento angular de rotação e momento de torção Exemplificando Os atuadores hidráulicos rotativos são utilizados na indexação de ferramental de máquina em operações de dobragem no levantamento ou rotação de objetos pesados em funções de dobragem no posicionamento nos dispositivos de usinagem nos atuadores de leme entre outros 235 Os osciladores hidráulicos também chamados de giratórios são um tipo de atuador hidráulico rotativo que converte energia mecânica de pressão em movimento rotativo sob um determinado ângulo com um campo de giro limitado São do tipo oscilador de pinhão e cremalheira e oscilador de palhetas de palhetas simples ou palhetas duplas Acumuladores hidráulicos Temse da mecânica dos fluidos que os fluidos hidráulicos são tratados como incompressíveis diferentemente do ar que pode ser comprimido para ser armazenado no reservatório de ar comprimido para posterior utilização nos sistemas pneumáticos Por esta razão foram criados os acumuladores hidráulicos capazes de armazenar fluidos incompressíveis sob pressão para eventual utilização no sistema hidráulico transformando esta energia de pressão armazenada em trabalho mecânico Os acumuladores têm a função de manter a pressão do sistema suprir a demanda de fluxo de fluido hidráulico em situações nas quais a demanda de fluxo é maior que a vazão que bomba consegue gerar absorver choques e pulsações por compressão e por descompressão no sistema hidráulico Basicamente o princípio de funcionamento dos acumuladores hidráulicos consiste em manter a pressão do sistema a partir da liberação do fluido acumulado na saída da câmara do acumulador hidráulico quando ocorrer uma queda de pressão na entrada da câmara conectada à linha de pressão ou a partir do acúmulo de pressão no caso de a pressão de entrada do acumulador for maior que a pressão de trabalho devido à expansão térmica do fluido hidráulico Finalizando os acumuladores hidráulicos são utilizados nas seguintes aplicações para compensar vazamentos trabalhar como uma fonte de potência auxiliar e de emergência como um compensador de expansão térmica e de volume como eliminador de pulsações e absorvedor de choques como fonte de potência em circuitos que utilizam duas pressões de trabalho como dispositivo de sustentação e de transferência como um fornecedor de fluido 236 Pesquise mais Para cada aplicação dos acumuladores hidráulicos verifique os diagramas esquemáticos dos circuitos hidráulicos propostos para cada aplicação dos acumuladores em FIALHO AB Automação hidráulica projetos dimensionamento e análise de circuitos 6 ed São Paulo Érica 2014 Tipos de acumuladores hidráulicos Os acumuladores hidráulicos são divididos em três tipos básicos com peso que agem pela força da gravidade de mola e com gás subdivididos em acumuladores com separação de pistão de diafragma e do tipo bexiga e sem separação O acumulador mais utilizado em sistemas hidráulicos é o acumulador a gás do tipo bexiga cujo princípio de funcionamento é ilustrado na Figura 45 Figura 45 Princípio de funcionamento de um acumulador a gás do tipo bexiga A B C Fonte adaptada de Fialho 2014 p 140 Na figura A a bexiga está plenamente expandida de gás nitrogênio fazendo com que o pistão da válvula de entrada de fluido esteja na posição retraída fechando a entrada de fluido hidráulico Na figura B iniciase a fase de carregamento do acumulador hidráulico abrindose a válvula de entrada de fluido do circuito hidráulico sendo portanto a bexiga comprimida pelo fluido Terminada a fase de carregamento desligandose a alimentação na bomba hidráulica o acumulador se mantém pressurizado A figura C mostra a saída do fluido hidráulico do acumulador no caso de uma queda de pressão no sistema que faz com que a válvula do acumulador se abra compensando qualquer queda de pressão e ou de volume no sistema O acumulador a gás do tipo bexiga apresenta as seguintes vantagens garante a perfeita separação entre as câmaras de gás e de fluido hidráulico o elemento separador chamado também de bexiga de borracha apresenta inércia baixíssima a manutenção e o cuidado são menores pois não existe atrito interno gerado pela movimentação de peças metálicas como nos acumuladores dos tipos de mola de peso e de pistão Dimensionamento de acumuladores hidráulicos O equacionamento para o dimensionamento de acumuladores hidráulicos difere de um tipo de acumulador para outro Portanto será apresentado a seguir os cálculos para o acumulador hidráulico a gás do tipo bexiga a partir dos estados de operação A B e C com suas relações de pressão e volume apresentadas na Figura 45 Utilizaremos nos cálculos os índices 1 2 e 3 para os estados de operação A B e C respectivamente Reflita O dimensionamento consiste basicamente em calcular o volume V1 do estado A da bexiga do acumulador hidráulico necessário para absorver e administrar a quantidade de fluido hidráulico ΔV que varia quando a pressão no acumulador varia entre P2 e P3 estados B e C respectivamente A partir da lei de Boyle que considera o fluido inserido internamente à bexiga como um gás ideal à temperatura constante temse que P1 V1n P2 V2n P3 V3n constante Na equação anterior temse que n é uma constante do processo politrópico Considerandose que os processos sejam isotérmicos ou seja o gás se comprime e se expande de maneira lenta não sofrendo nenhuma variação de temperatura considerase n 1 Para as aplicações dos acumuladores em sistemas hidráulicos notase que os ciclos de carga e descarga ocorrem em tempos curtos sendo portanto o comportamento do gás modelado como sensivelmente adiabático não envolve transferência de calor com a vizinhança Neste caso a lei de Boyle é válida para n 14 Rearranjando a equação anterior temse que o volume V1 dado em litros será V1 ΔV P3 P11n 1 P3 P21n Exemplificando os cálculos para um tipo de aplicação de um acumulador hidráulico se o acumulador for utilizado com um armazenador de energia temse que o volume V1 será dado por V1 Δ V P3 P1 η K Na equação anterior temse que n é a eficiência do acumulador hidráulico da ordem de 95 e K é o coeficiente de descarga do acumulador dado por Di Q 15 104 π V Na fórmula anterior temse que n é a constante politrópica do gás para o período de descarga e m é a constante politrópica do gás para o período de carga Vale ressaltar que as constantes m e n dependem da pressão média entre P2 e P3 e do tempo de carga ou descarga em segundos Pesquise mais Pesquise sobre os cálculos utilizados no dimensionamento dos acumuladores hidráulicos em cada uma de suas aplicações em FIALHO AB Automação hidráulica projetos dimensionamento e análise de circuitos 6 ed São Paulo Érica 2014 Intensificadores de pressão Os intensificadores de pressão também conhecidos como boosters são componentes do sistema hidráulico que elevam a pressão do fluido de baixa pressão para uma alta pressão O princípio de funcionamento dos intensificadores de pressão baseiase no conceito de relação de áreas ou seja a intensificação da pressão ocorre sem adição de potência ao sistema Por isso os intensificadores são utilizados em aplicações nas quais se deseja realizar operações em elevadas pressões entre 300 a 400 bar com baixo custo sem a necessidade de elevadas potências Os intensificadores de pressão são do tipo de simples ação e de dupla ação Assimile A partir da Figura 46 temse que o fluido a baixa pressão P1 que entra no intensificador age contra a área do maior pistão A1 deslocando o pistão na direção da área menor Esta força comprime o fluido contido na câmara do menor pistão A2 aumentando a pressão de saída P2 do fluido A partir do conceito de pressão temse que a força na câmara 1 é dada por F P1 A1 Como a força é a mesma nas duas câmaras temse que P1 A1 P2 A2 Portanto a pressão de saída será dada pela equação a seguir em que R é a relação de intensificação sendo sempre maior que 1 R 1 P2 A1A2 P1 R P1 Figura 46 Intensificadores de pressão de simples ação e de dupla ação Entrada de Baixa Pressão Tanque ou Preenchimento Saída de Alta Pressão e Preenchimento P1 A1 P2 A2 Intensificador de Simples Ação Entrada de Baixa Pressão Saída de Alta Pressão e Preenchimento P2 A2 P1 A1 Intensificador de Dupla Ação Fonte adaptada de Fialho 2014 p 168 Vale ressaltar que a vazão de fluido na saída do intensificador à alta pressão é inversamente proporcional à vazão de fluido na entrada do intensificador à baixa pressão Portanto temse que Q2 1R Q1 Para provar que a intensificação da pressão ocorre sem adição de potência ao sistema lembramos que a potência N pode ser obtida pelo produto entre a pressão e a vazão como mostra a equação a seguir N P Q 600 Reflita Portanto substituindose as relações de pressão e vazão na entrada e na saída do intensificador em 1 e 2 chegase à conclusão de que N1 N2 ou seja a potência na entrada do intensificador é igual à potência na saída do intensificador Sem medo de errar Com o conhecimento dos conceitos abordados nesta seção sobre os acumuladores hidráulicos e sobre os intensificadores de pressão resolveremos a situaçãoproblema 3 apresentada a seguir Você aluno estagiário da empresa de consultoria contratada para dimensionar um sistema hidráulico para um setor industrial de uma empresa de pequeno porte apresentou na situaçãoproblema 1 a seleção das válvulas para comando do atuador hidráulico e apresentou na situaçãoproblema 2 o dimensionamento do atuador hidráulico linear utilizado para desempenhar uma determinada função requerida pelo circuito hidráulico O seu próximo desafio ou seja a situaçãoproblema SP em que você está inserido é dimensionar o acumulador hidráulico e o intensificador de pressão utilizados para exercer uma determinada aplicação requerida do circuito hidráulico básico proposto Roteiro de solução Como exemplo de solução da situaçãoproblema 3 utilizaremos um exercício com o intuito de calcular o volume de um acumulador hidráulico e a relação de áreas de um intensificador de pressão para aplicação destes componentes em sistema hidráulico de um setor industrial de uma empresa de pequeno porte O problema proposto é calcular o volume de um acumulador hidráulico capaz de administrar 8 litros de fluido hidráulico entre 210 e 85 bar utilizandose uma précarga de gás nitrogênio a 70 bar Supor um ciclo isotérmico Após o dimensionamento do acumulador hidráulico dimensionar um intensificador de pressão com os seguintes dados pistão da câmara de baixa pressão de 20 mm de diâmetro pressão de entrada de 120 bar pressão de saída de 350 bar Primeiramente calculamos o volume do acumulador para um ciclo isotérmico Atenção Temse que por definição a pressão P1 é a pressão de précarga do acumulador notase que nunca devemos utilizar valores menores que 30 de P3 P2 é a pressão máxima de operação do sistema hidráulico P3 é a pressão mínima de operação do sistema hidráulico em que o volume ΔV foi descarregado no sistema pelo acumulador Portanto temse que P1 70 bar P2 210 bar P3 85 bar ΔV 8 litros η 10 o volume do acumulador para um ciclo isotérmico será V₁ ΔV P₃ P₁¹ⁿ 1 P₃ P₂¹ⁿ 8l 85bar 70bar¹¹ 1 85bar 210bar¹¹ 163 litros A partir dos cálculos apresentados nesta seção para o dimensionamento do intensificador de pressão temse a seguinte relação entre pressão e área de entrada à baixa pressão e pressão e área de saída à alta pressão P₂ A₁ A₂ P₁ π D₁² 4 π D₂² 4 P₁ D₁² D₂² P₁ Utilizandose os dados do exercício sendo o pistão da câmara de baixa pressão de 20 mm de diâmetro a pressão de entrada de 120 bar e a pressão de saída de 350 bar temse que o diâmetro do pistão da câmara de alta pressão deve ser de D₂ D₁² P₁ P₂ 20mm² 120bar 350bar 1171 mm Portanto o intensificador de pressão deverá ter uma relação de intensificação R igual a R P₂ P₁ 350bar 120bar 292 Ou seja a pressão de saída é quase três vezes maior que a pressão de entrada do intensificador de pressão utilizandose uma précarga de gás nitrogênio a 70 bar Suponha um ciclo adiabático com 15 segundos de carga e 8 segundos de descarga Roteiro de solução Caro aluno para um processo adiabático temse que as constantes do processo politrópico m e n devem ser calculadas a partir da pressão média entre P₂ e P₃ e do tempo de carga e descarga em segundos A Tabela 47 mostra os valores de m e n para o nitrogênio Tabela 47 Valores das constantes do processo politrópico m e n para o nitrogênio Fonte adaptada de Fialho 2014 p 156 A partir da tabela acima utilizandose a pressão média de 1475 bar o tempo de carga de 15 segundos e o tempo de descarga de 8 segundos temse que n constante do processo politrópico do nitrogênio para o período de descarga será n 170 e m constante do processo politrópico do nitrogênio para o período de carga será m 165 Portanto o coeficiente de descarga do acumulador K é dado por K 1 P₃ P₂¹ⁿ 1 P₃ P₂¹ᵐ 1 85bar 210bar¹¹⁷⁰ 1 85bar 210bar¹¹⁶⁵ 0977 Finalmente o volume do acumulador para um ciclo adiabático utilizandose a eficiência do acumulador hidráulico n 095 será V₁ ΔV P₃ P₁ η K 8l 85bar 70bar 095 0977 10l Faça você mesmo Caro aluno para avançarmos ainda mais na prática sugerimos que você dimensione um acumulador hidráulico utilizado para absorver choques Um exemplo de cálculo para esta aplicação está ilustrado em FIALHO AB Automação hidráulica projetos dimensionamento e análise de circuitos 6 ed São Paulo Érica 2014 p 164165 O diagrama esquemático deste circuito está na página 147 da mesma referência acima e as fórmulas para os cálculos estão ilustradas nas páginas 160 a 163 desse mesmo material Faça valer a pena 1 Calcule o volume de um acumulador hidráulico capaz de administrar 5 litros de fluido hidráulico entre 200 bar e 100 bar utilizandose uma précarga de gás nitrogênio a 80 bar Suponha um ciclo isotérmico a 125 litros b 163 litros c 107 litros d 155 litros e 175 litros 2 Calcule o volume de um acumulador hidráulico capaz de administrar 5 litros de fluido hidráulico entre 200 e 100 bar utilizandose uma précarga de gás nitrogênio a 80 bar Suponha um ciclo adiabático com 20 segundos de carga e 15 segundos de descarga a 10 litros b 757 litros c 389 litros d 463 litros e 1254 litros 3 Qual é o valor da relação de intensificação R de um intensificador de pressão com os seguintes dados pistão da câmara de baixa pressão de 50 mm de diâmetro pressão de entrada de 200 bar e pressão de saída de 400 bar a 30 b 40 c 20 d 50 e 60