Projetos e Parametros de Instalacoes Hidraulicas - Automacao e Circuitos

Seção 44 Parâmetros e projetos das instalações hidráulicas Diálogo aberto Caro aluno nas seções anteriores das Unidades 3 e 4 deste livro didático estudamos o sistema de conversão primária o sistema de distribuição e controle e o sistema de aplicação de energia de um sistema hidráulico bem como seus componentes e acessórios Nesta seção estudaremos os parâmetros e projetos das instalações hidráulicas a fim de realizar a automação do sistema hidráulico proposto 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 A situaçãoproblema desta unidade SP4 é focada portanto em selecionar o circuito hidráulico fundamental utilizado para exercer uma aplicação requerida a fim de buscar uma solução de automação para o circuito hidráulico básico proposto Para resolvermos a situaçãoproblema 4 aprenderemos os parâmetros e projetos das instalações hidráulicas o circuito em série o circuito em paralelo o circuito misto os circuitos sequenciais os circuitos regenerativos os circuitos eletrohidráulicos 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 247 1 Não pode faltar Parâmetros e projetos das instalações hidráulicas Caro aluno como já visto anteriormente sabese que a automação e o controle de processos e operações repetitivas têm grande importância tecnológica sendo deste modo utilizado atualmente em toda e qualquer área e setor industrial na indústria moderna Nesta seção estudaremos soluções de automação hidráulica conhecendo os circuitos fundamentais para realizar o projeto de sistemas hidráulicos Circuito em série Este circuito é utilizado quando necessitase associar dois ou mais atuadores hidráulicos lineares visando aplicar a mesma intensidade de força desenvolvendose o mesmo curso em cada atuador como mostra a Figura 47 Uma analogia com circuitos elétricos em série pode ser realizada sendo que em hidráulica a força aplicada sobre a haste dos atuadores é igual F1 F2 F3 Fn e a pressão é somada como mostra a equação a seguir P1 F1A p1 F2A p2 F3A p3 FnA pn Figura 47 Desenho esquemático de um circuito em série Fonte adaptada de Fialho 2014 p 174 Devido ao esquema de montagem do circuito em série em que a alimentação localizada na câmara traseira do segundo atuador do circuito é conectada na saída do primeiro atuador localizada na câmara 248 2 frontal e assim por diante limitase esta associação a no máximo três atuadores em série pois existe uma diferença de área entre as câmaras frontais e traseiras de cada atuador dada pela relação de áreas r A p A c Esta limitação se deve ao fato das áreas dos pistões tenderem a diminuir visto que por exemplo o volume de óleo da câmara frontal do atuador 1 deve ser o mesmo volume de óleo da câmara traseira do atuador 2 como mostra a Figura 47 Portanto as áreas da câmara frontal do atuador 1 A c1 e da câmara traseira do atuador 2 A p2 devem ser iguais porque os comprimentos L2 são os mesmos em todos os atuadores Finalmente a área do pistão do atuador 2 deverá ser menor que a área do pistão do atuador 1 fazendo com que os volumes diminuam V1 V2 V3 V n limitando assim o número de atuadores na montagem deste circuito Além do movimento simultâneo dos atuadores ilustrado na montagem do circuito em série da Figura 47 podese necessitar de um movimento em cascata ou seja um movimento sequencial dos atuadores Como este movimento em cascata é possível Pesquise em FIALHO AB Automação hidráulica projetos dimensionamento e análise de circuitos 6 ed São Paulo Érica 2014 Circuito em paralelo Para a montagem do circuito em paralelo mostrado na Figura 48 temse que considerandose que as forças aplicadas sobre os atuadores têm a mesma magnitude F1 F2 F3 e os volumes dos atuadores são os mesmos V1 V2 V3 devido ao esquema de montagem do circuito em paralelo a pressão de alimentação dos atuadores deverá ser a mesma P1 P2 P3 249 Figura 48 Desenho esquemático de um circuito em paralelo Fonte Fialho 2014 p 182 Notase que para circuitos em paralelo é impossível assegurar a dependência cinemática de movimento dos atuadores sem a utilização de elementos de controle O controle da velocidade dos atuadores é realizado pelo distribuidor que consiste em um bloco de válvulas de controle direcional que comanda o movimento dos atuadores Assimile Uma particularidade do circuito em paralelo é que a velocidade dos atuadores é afetada pelo acionamento simultâneo de um ou mais atuadores ao mesmo tempo Sabese que quanto maior for o número de atuadores acionados simultaneamente menor será a velocidade desenvolvida por eles devido ao fato de que a vazão da bomba hidráulica é constante Portanto a velocidade dos atuadores pode ser calculada pela relação a seguir em que Apn equivale ao somatório das áreas dos pistões dos atuadores acionados simultaneamente em um mesmo instante de tempo Velocidade QB Σ Apn Fica evidente pela equação acima que a velocidade desenvolvida pelos atuadores é afetada pelo número de atuadores acionados simultaneamente Circuito misto O circuito misto é uma combinação dos circuitos em série e paralelo como ilustra a Figura 49 Figura 49 Desenho esquemático de um circuito misto Fonte adaptada de Fialho 2014 p 186 Este circuito é utilizado quando o movimento simultâneo de dois ou mais atuadores não é permitido fazendo com que o controle do acionamento dos atuadores seja mais rígido por efeitos de segurança No circuito misto portanto o movimento de um atuador somente é possível quando os outros atuadores estiverem inativos Circuitos sequenciais Os circuitos sequenciais são uma opção para estabelecer uma sucessão desejada de alimentação dos atuadores hidráulicos nos instantes desejados e durante um intervalo de tempo necessário obtendo uma sequência de movimentos sequenciais requeridos por uma máquina ou equipamento Portanto os circuitos sequenciais são utilizados para resolver problemas de automação programada equipando máquinas que executam ciclos repetitivos ou com variantes Os problemas de automação programada são divididos em exclusivamente hidráulicos acionados por válvulas de sequência ou por distribuidores de fim de curso e de posição e mistos hidráulicos e elétricos ou hidráulicos e pneumáticos acionados por cames batentes pressostatos microswitchs temporizadores entre outros Pesquise mais Pesquise sobre os tipos de circuitos sequenciais mais utilizados exclusivamente hidráulico acionado por válvula de sequência exclusivamente hidráulico acionado por distribuidores de fim de curso e de posição eletropneumohidráulico acionado por cames eletropneumohidráulico acionado por pressostato em FIALHO AB Automação hidráulica projetos dimensionamento e análise de circuitos 6 ed São Paulo Érica 2014 Circuitos regenerativos Estes circuitos têm o objetivo de otimizar os tempos não produtivos dos ciclos de operações de máquinas operatrizes Portanto o intuito do circuito regenerativo é aumentar a velocidade dos deslocamentos de aproximação e retorno por exemplo que uma ferramenta realiza entre uma operação e outra furacao corte dobramento entre outros A Figura 410 mostra o princípio de funcionamento do circuito regenerativo Em geral para sistemas hidráulicos a velocidade de avanço da haste do atuador hidráulico é obtida a partir da vazão volumétrica do fluido como mostra a equacao a seguir VA QB Ap No circuito regenerativo a velocidade de avanço regenerada é obtida a partir da soma da vazão da bomba com a vazão Q2 que sai da câmara frontal do atuador devido a uma ligação em um dado instante entre as linhas de alimentação da câmara frontal e de retorno da câmara traseira do atuador gerando uma vazão Q1 maior que a vazão da bomba como mostra a relação a seguir Q1 QB Q2 QB QB Dp2 Dh2 1 Portanto temse que a velocidade de avanço regenerada é dada por Vreg Q1 Ap Figura 410 Desenho esquemático do princípio de funcionamento de um circuito regenerativo Fonte adaptada de Fialho 2014 p 203 A força de avanço normal é dada a partir do conceito de pressão Fa F1 PtrabAp A força de avanço regenerada de acordo com a Figura 410 é dada pela subtração das forças F1 e F2 sendo que F2 é é obtida a partir de F2 PtrabAc Portanto temse que Freg F1 F2 Exemplificando Em circuitos regenerativos por motivos de desproporções significativas entre as velocidades de avanço regenerada e a velocidade de retorno utilizase uma relação de áreas r Ap Ac 2 Circuits eletrohidráulicos os mesmos componentes apresentados na Seção 24 para o estudo dos circuitos de comando elétrico dos sistemas pneumáticos Pesquise mais Pesquise sobre a montagem dos circuitos para o comando repetitivo e para o comando automático em FIALHO AB Automação hidráulica projetos dimensionamento e análise de circuitos 6 ed São Paulo Érica 2014 Sem medo de errar Com o conhecimento dos conceitos abordados nesta seção sobre os parâmetros e projetos das instalações hidráulicas resolveremos a situaçãoproblema 4 apresentada a seguir Estagiar nessa empresa está sendo de grande valia a cada desafio seu crescimento técnicointelectual está sendo notório Como estagiário você definiu inicialmente as válvulas para comando do atuador hidráulico o atuador hidráulico linear o acumulador hidráulico e o intensificador de pressão utilizados para exercer a aplicação requerida pelo circuito hidráulico proposto Agora você chegou à última etapa e o engenheiro supervisor está aguardando os resultados que lhe foram confiados Nesta seção você deverá selecionar o circuito hidráulico fundamental empregado para exercer uma aplicação requerida do circuito hidráulico básico proposto e deverá encontrar uma solução de automação para o circuito hidráulico convencional deste projeto Você também deverá apresentar o trabalho dimensionado desta fase do circuito hidráulico com o relatório técnico Roteiro de solução Como exemplo de solução da SP4 utilizaremos um exercício com o intuito de dimensionar o sistema hidráulico para a montagem de um circuito em série com três atuadores para utilização em sistema hidráulico de um setor industrial de uma empresa de pequeno porte O problema proposto é calcular a vazão a pressão e a potência de uma bomba para que o circuito em série da Figura 47 possa ser utilizado para levantar uma carga em um intervalo de tempo de 10 segundos Dados para resolução F 9000 N L 30 cm r 21 Dp1 8 cm nT 80 Primeiramente calculamos a força aplicada sobre cada atuador considerandose que em um circuito em série F1 F2 F3 F1 F2 F3 F3 9000N3 3000N Pela relação de áreas é possível calcular a área da coroa do atuador 1 Ac1 AP1 r πDp2 4 cm2 105 25cm2 O volume de fluido hidráulico de cada atuador na posição avançado é dado por V1 AP1 L πDp2 4 L π82 cm2 4 30cm 1500cm3 15l V2 12 V1 12 1500cm3 750cm3 075l V3 14 V1 14 1500cm3 375cm3 0375l Atenção A vazão da bomba é calculada para a seguinte situação de trabalho no exato instante em que os três atuadores estão em movimento simultâneo de avanço Portanto a vazão necessária para bombeamento é calculada por QB Vn t V1 V2 V3 t 15l 075l 0375l 01666min 16l min A pressão necessária para o bombeamento desprezandose as perdas de carga é dada por Pb Fn APn FAP1 FAP2 FAP3 3000N150cm2 125cm2 1125cm2 420Ncm2 42bar As áreas dos pistões 2 e 3 são calculadas a partir do volume de fluido hidráulico AP2 V2 L 750 cm3 30 cm 25 cm2 AP3 V3 L 375 cm3 30 cm 125 cm2 Finalmente temse que a potência da bomba deverá ser de N QB ΔP 600 ηT 16 l min 42 bar 600 080 14 kW A bomba de engrenagens do Tipo G2 do tamanho nominal 11 é adequada para a aplicação requerida neste exercício pois fornece uma vazão de 194 lmin a uma pressão de 50 bar com uma potência de 186 kW Avançando na prática Caro aluno nesta nova situaçãoproblema aprofundaremos o conhecimento sobre os parâmetros e projetos das instalações hidráulicas apresentando um exercício sobre um circuito regenerativo a fim de complementar ainda mais o estudo proposto nesta unidade de ensino Dimensionamento de um circuito regenerativo Para um circuito regenerativo que utiliza uma bomba com vazão volumétrica de 40 lmin e um atuador hidráulico linear com DP 50 mm e Dh 36 mm operando com uma pressão de trabalho de 120 bar calcule a velocidade de avanço regenerada e a força de avanço regenerada Roteiro de solução Primeiramente calculamos a velocidade de avanço da haste do atuador hidráulico obtida a partir da vazão volumétrica do fluido como mostra a equação a seguir VA QB AP 40 103 cm3 min π 52 cm2 4 203718 cm min No circuito regenerativo a velocidade de avanço regenerada é obtida a partir da soma da vazão da bomba com a vazão Q2 conforme apresenta a relação abaixo Q1 QB Q2 QB QB DP2 Dh2 1 Q1 40000 cm3 min 40000 cm3 min 52 cm2 362 cm2 1 7716050 cm3 min Portanto temse que a velocidade de avanço regenerada é dada por Vreg Q1 AP 7716050 cm3 min π 52 cm2 4 392975 cm min A força de avanço normal é obtida a partir do conceito de pressão Fa F1 Ptrab AP 120 105 Pa AP 1200 N cm2 π 52 cm2 4 23562 N A força de avanço regenerada de acordo com a Figura 410 é calculada pela subtração das forças F1 e F2 Portanto temse que F2 Ptrab Ac 1200 N cm2 π 52 cm2 4 π 362 cm2 4 1134743 N Freg F1 F2 23562 N 1134743 N 1221456 N Notase neste exercício que o circuito regenerativo possibilitou um aumento da velocidade de avanço na ordem de 93 com uma redução na força de avanço de 48 Faça você mesmo Caro aluno para avançarmos ainda mais na prática verifique o efeito da relação de áreas em um circuito regenerativo Um exemplo desta análise é apresentado em FIALHO AB Automação hidráulica projetos dimensionamento e análise de circuitos 6 ed São Paulo Érica 2014