Análise de Como Funciona um Britador Hidráulico de Rochas

2.2 Análise de Como Funciona um Britador Hidráulico de Rochas

Um britador hidráulico de rochas apresenta diversas formas estruturais. A partir do princípio de funcionamento, os autores abstraem e sintetizam as ideias mais fundamentais e críticas de um britador hidráulico de rochas e reduzem-nas a três modos básicos de funcionamento: puramente hidráulico, hidráulico-pneumático combinado e com explosão por nitrogênio.

2.2.1 Princípio de Funcionamento Puramente Hidráulico

O princípio de funcionamento puramente hidráulico possui três formas de implementação: câmara dianteira com pressão constante / câmara traseira com pressão variável (abreviado como 'princípio da câmara dianteira com pressão constante'), câmara traseira com pressão constante / câmara dianteira com pressão variável (abreviado como 'princípio da câmara traseira com pressão constante') e câmara dianteira e traseira com pressão variável (abreviado como 'princípio de pressão variável').

(1) Princípio da câmara dianteira com pressão constante

Trata-se do princípio de funcionamento adotado inicialmente no início do desenvolvimento dos martelos hidráulicos para rochas; todos os avanços técnicos subsequentes basearam-se nele. O martelo hidráulico para rochas com câmara dianteira de pressão constante é apresentado na Fig. 2-1.

A partir da Fig. 2-1, o sistema é composto por um corpo de cilindro, um pistão, uma válvula de controle e canais de óleo. O corpo do cilindro e o pistão constituem o mecanismo de impacto. O pistão move-se alternadamente no interior do corpo do cilindro, acionado pelo óleo hidráulico, transmitindo energia de impacto para o exterior e aplicando uma grande força de impacto ao alvo, produzindo um efeito de martelo. A função da válvula de controle é inverter a direção do fluxo de óleo que aciona o pistão, permitindo o movimento alternado periódico deste.

O fragmentador hidráulico de rochas mostrado na Fig. 2-1 tem seu pistão posicionado no ponto de impacto; o cursor da válvula encontra-se na posição em que acabou de concluir a comutação do curso de trabalho para o curso de retorno. Neste instante, o óleo sob alta pressão entra na câmara de alta pressão constante do cilindro (câmara a ) através da porta de alta pressão constante da válvula, acionando o pistão no curso de retorno (para a direita). O óleo na câmara de pressão variável do pistão (câmara b ) é retornado ao tanque através da porta 4 e da porta variável de pressão / retorno de óleo da válvula. Quando o pistão se move para trás até que seu ombro dianteiro ultrapasse a porta 2 no corpo do cilindro, óleo sob alta pressão é direcionado para a porta 5 da válvula de empuxo, fazendo com que a válvula comute (para a esquerda). Como a câmara constante de alta pressão da válvula agora se conecta à câmara intermediária de pressão variável, óleo sob alta pressão entra na câmara traseira do pistão b através da porta 4. Ambos os lados do pistão estão agora sob óleo sob alta pressão, mas, como a área sujeita à pressão na câmara traseira b é maior do que a da câmara dianteira a o pistão começa a desacelerar no curso de retorno, sua velocidade cai a zero e inicia o curso de potência (para a esquerda). Quando o recesso central do pistão conecta as vias 2 e 3, o pistão acaba de atingir o ponto de impacto, completando um ciclo; ao mesmo tempo, a via 5 da válvula de empurrão se conecta à linha de óleo de retorno, fazendo com que o carretel se desloque para a direita, retornando à posição mostrada na Fig. 2-1, completando assim um ciclo completo e preparando-se para o próximo curso de retorno do pistão. Dessa forma, o pistão realiza impactos contínuos, gerando continuamente energia de impacto. Câmara de ar c nesta princípio de funcionamento é liberada para a atmosfera.

(2) Princípio de pressão constante na câmara traseira

Deve-se salientar que este princípio de funcionamento só pode ser realizado na condição em que a área efetiva sujeita à pressão na câmara frontal do pistão a seja maior do que a da câmara traseira b , ou seja, o diâmetro da câmara frontal do pistão é menor do que o diâmetro da câmara traseira ( d ₁ > d ₂).

A Fig. 2-2 mostra o esquema de um martelo hidráulico de rocha com câmara traseira de pressão constante / câmara frontal de pressão variável.

Comparada com a Fig. 2-1, a única diferença é que a porta 1 no corpo do cilindro está conectada à câmara de pressão variável da válvula, em vez de à câmara de pressão constante (alta pressão); a porta 4 conecta-se diretamente à câmara de pressão constante da válvula; todos os demais orifícios de óleo são idênticos. A Fig. 2-2 mostra o instante em que o curso de potência do pistão acaba de terminar e a válvula já comutou — o sistema encontra-se exatamente no momento em que o curso de retorno se inicia.

A característica operacional desse princípio é que o martelo hidráulico de rocha não descarrega óleo durante o curso de retorno, mas descarrega óleo durante o curso de potência; e a área sujeita à pressão na câmara frontal a seja maior do que a da câmara traseira b porque o tempo de descarga do golpe de potência é curto e o fluxo é elevado, as perdas de pressão hidráulica desse princípio são maiores do que as do princípio de pressão constante na câmara frontal. Atualmente, a maioria dos fragmentadores hidráulicos de rochas não utiliza esse princípio.

(3) Princípio de pressão variável nas câmaras frontal e traseira

O princípio de pressão variável nas câmaras frontal e traseira está ilustrado na Fig. 2-3. A partir deste esquema, é fácil perceber que esse tipo de dispositivo hidráulico de impacto possui uma estrutura complexa, com muitas passagens, o que aumenta os custos de fabricação. Por isso, ele não é utilizado atualmente em fragmentadores hidráulicos de rochas; ainda é empregado em algumas marcas de perfuratrizes hidráulicas de rochas.

A Fig. 2-3 mostra a posição no final do golpe de potência do pistão e no início do golpe de retorno. Quando o golpe de retorno começa, o óleo sob alta pressão da câmara intermediária da válvula entra na câmara frontal do pistão a através da câmara esquerda e da abertura 1 do cilindro, empurrando o pistão para a direita. O óleo na câmara traseira b é descarregado no tanque de óleo através da porta do cilindro 5 e da câmara direita da válvula. Durante o curso de retorno, quando o ombro esquerdo do pistão passa pela porta 2 do corpo do cilindro, o óleo sob alta pressão proveniente da porta 7 empurra o carretel da válvula para a direita; o carretel da válvula comuta instantaneamente as vias de alimentação e descarga de óleo do corpo do cilindro — a porta 5 do cilindro passa para alta pressão e a porta 1 do cilindro passa para o retorno ao tanque — de modo que o pistão começa a desacelerar, sua velocidade cai rapidamente a zero e ele comuta para a aceleração do curso de potência. Quando o curso de potência do pistão atinge o ponto de impacto, o recesso central do pistão conecta as portas 2 e 3 do cilindro, as portas 4 e 5 se conectam, o lado esquerdo do carretel da válvula conecta-se, através da porta 7, às portas 2 e 3 para retorno de óleo, e a porta direita do carretel da válvula (porta 6) conecta-se, através das portas 4 e 5, ao lado direito e à câmara intermediária da válvula, à alta pressão, fazendo com que o carretel comute para a esquerda, alterando assim as vias de alimentação e descarga de óleo do cilindro e concluindo um ciclo de trabalho do pistão. O pistão e o carretel da válvula do dispositivo hidráulico de impacto retornam ao estado mostrado na Fig. 2-3 — início do curso de retorno. Dessa forma, o martelo hidráulico, por meio do movimento alternado contínuo do pistão, fornece continuamente energia de impacto externamente, realizando eficazmente o trabalho de impacto.

Os três princípios de funcionamento puramente hidráulicos descritos acima são atualmente utilizados em perfuratrizes hidráulicas para rochas, britadores hidráulicos para rochas e outros mecanismos hidráulicos de impacto, embora os britadores hidráulicos para rochas ainda empreguem com maior frequência o princípio de funcionamento combinado hidráulico-pneumático.

2.2.2 Princípio de Funcionamento Combinado Hidráulico-Pneumático

A partir da análise do princípio de funcionamento puramente hidráulico, podemos observar que toda a energia de impacto de um mecanismo de impacto puramente hidráulico é fornecida pela hidráulica. Contudo, à medida que o uso de britadores para rochas puramente hidráulicos aumentou e a pesquisa avançou, verificou-se que as perdas hidráulicas eram bastante elevadas, limitando assim a melhoria adicional da eficiência. O óleo que circula pelos canais internos do corpo do cilindro deve atritar contra as paredes dos tubos, e as perdas hidráulicas causadas por curvas, variações de diâmetro e mudanças na direção do fluxo são consideráveis; quanto maior o fluxo, maiores as perdas, especialmente durante o curso de potência.

Atualmente, o princípio de funcionamento combinado hidráulico-pneumático é utilizado principalmente em fragmentadores hidráulicos de rochas que exigem grande energia de impacto e baixa frequência, bem como em martelos hidráulicos para estacas.

Para melhorar a eficiência, após extensas pesquisas, descobriu-se um método simples e eficaz: utilizar conjuntamente gás e óleo para fornecer a energia de impacto do fragmentador hidráulico de rochas. Isso reduz o fluxo necessário durante o curso de potência — diminuindo as perdas hidráulicas e melhorando a eficiência operacional — daí o fragmentador hidráulico de rochas combinado hidráulico-pneumático.

O princípio estrutural do fragmentador hidráulico de rochas combinado hidráulico-pneumático é muito simples: basta carregar a câmara de ar c nos três princípios puramente hidráulicos mencionados acima, com nitrogênio a uma determinada pressão. Como o nitrogênio está agora presente, quando o pistão realiza o curso de retorno, o nitrogênio é comprimido e a energia é armazenada; quando ocorre o curso de potência, essa energia é liberada em conjunto com o óleo para acionar o pistão, gerando energia cinética no ponto de impacto e convertendo-a em energia de impacto. É evidente que o papel do nitrogênio reduz necessariamente a quantidade de óleo utilizada durante o curso de potência, diminuindo o consumo de óleo e, consequentemente, alcançando menores perdas hidráulicas e maior eficiência.

Comparado com um fragmentador rochoso puramente hidráulico, a área efetiva de pressão no compartimento traseiro do pistão b em um martelo hidráulico combinado hidráulico-pneumático é reduzida. Essa redução na área efetiva de suporte de pressão significa menor consumo de óleo durante o golpe de potência e menores perdas hidráulicas — essa é a razão fundamental pela qual os martelos hidráulicos combinados hidráulico-pneumáticos se desenvolveram rapidamente nos últimos anos. Quase todos os martelos hidráulicos combinados hidráulico-pneumáticos utilizam o princípio de funcionamento de pressão constante na câmara frontal; esse também é um traço característico essencial do tipo hidráulico-pneumático combinado.

2.2.3 Princípio de Funcionamento com Explosão por Nitrogênio

O princípio de funcionamento de um martelo hidráulico com explosão por nitrogênio não difere fundamentalmente do de um martelo hidráulico combinado hidráulico-pneumático; apenas os parâmetros estruturais do pistão são distintos. A diferença essencial é que os diâmetros frontal e traseiro do pistão são iguais, ou seja, d ₂ = d ₁, e toda a energia de impacto é fornecida pelo nitrogênio.

Diâmetros iguais dos pistões dianteiro e traseiro constituem a principal característica do martelo hidráulico explosivo a nitrogênio. Durante o curso de potência, a câmara traseira não consome óleo, e toda a energia de impacto pode ser fornecida pelo nitrogênio. É claro que a energia armazenada no nitrogênio é suprida pela hidráulica durante o curso de retorno e convertida na energia cinética do curso de potência. Portanto, em última análise, continua sendo a energia hidráulica que é convertida — mas, por meio da compressão do meio gasoso e do armazenamento de energia, a energia do nitrogênio armazenada é liberada durante o curso de potência e convertida na energia mecânica do pistão.

Deve-se destacar que apenas o princípio de pressão constante na câmara frontal pode ser aplicado ao martelo hidráulico explosivo a nitrogênio; nem o princípio de pressão constante na câmara traseira nem o princípio de pressão variável nas câmaras frontal e traseira podem ser aplicados a um martelo hidráulico a nitrogênio. A razão torna-se clara assim que se compreende a característica do pistão que d ₂ = d ₁.