Já sabemos que a pressão máxima do sistema pode ser controlada com uma válvula de controle de pressão normalmente fechada — sua porta primária conecta-se à pressão do sistema e sua porta secundária, ao tanque. O êmbolo regula com base na pressão pré-ajustada: quando as passagens primária e secundária se encontram em um ponto definido, parte do fluxo é desviada para o tanque. Essa válvula de controle de pressão normalmente fechada é a válvula de alívio. Este capítulo aborda todos os tipos de válvulas de controle de pressão — sua construção, aplicações em circuitos e principais características de desempenho.

Ajuste de pressão

Em uma válvula de controle de pressão, o ajuste da pressão é normalmente realizado ajustando-se a força de pré-carga da mola de bias por meio de um parafuso de ajuste. A pressão varia conforme o parafuso é girado.

Figura 11-1: Válvula de controle de pressão normalmente fechada. O parafuso de ajuste define a pré-carga da mola, determinando a pressão na qual o êmbolo se levanta e a válvula se abre.

Aplicações de válvulas de pressão normalmente fechadas

Em sistemas hidráulicos, as válvulas de controle de pressão normalmente fechadas têm várias aplicações. Além de serem usadas como válvulas de alívio do sistema, também podem controlar a sequência de ações — garantindo que uma ação ocorra antes de outra. Além disso, podem ser utilizadas para equilibrar forças mecânicas externas.

Válvula de sequência

Uma válvula de controle de pressão normalmente fechada que controla uma ação para que ocorra antes de outra é chamada de válvula de sequência.

Aplicação do circuito com válvula de sequência

Em um circuito hidráulico que executa tanto a fixação quanto a perfuração, o cilindro de fixação deve avançar antes do cilindro de perfuração. Para alcançar isso, a válvula de sequência é posicionada no circuito logo antes do cilindro de perfuração. A mola na válvula de sequência impede que o êmbolo conecte as passagens primária e secundária até que a pressão aumente o suficiente para vencer a força da mola — até então, o fluxo para o cilindro de perfuração permanece bloqueado. Assim, o cilindro de fixação avança primeiro. Quando a fixação entra em contato com a peça de trabalho, a bomba deve fornecer uma pressão mais elevada para superar a resistência. Isso eleva a pressão acima da pressão piloto atuando sobre o êmbolo da válvula de sequência, conectando as passagens primária e secundária, e o fluxo passa para o cilindro de perfuração — o cilindro de perfuração então começa a se mover.

Figura 11-2: Circuito com válvula de sequência. Com a válvula de sequência bloqueando o fluxo para o cilindro de perfuração até que a pressão do sistema aumente, a fixação sempre se fecha primeiro antes do início da perfuração.

Válvula de contrapeso

Uma válvula de controle de pressão normalmente fechada, utilizada para equilibrar ou sustentar um peso (como uma placa de prensa), é chamada de válvula de contrabalanço.

Aplicação do circuito com válvula de contrabalanço

Em um circuito de prensa, quando a válvula direcional envia fluxo para o lado cego do cilindro, a placa de prensa conectada à haste do pistão cairá de forma descontrolada sob a ação da gravidade, e o fluxo da bomba será esgotado. Para evitar isso, instala-se uma válvula de pressão normalmente fechada a jusante do cilindro da prensa. O carretel da válvula não abre a passagem do primário para o secundário até que a pressão na base ultrapasse a pressão gerada pelo peso da placa. Em outras palavras, ao fornecer óleo ao lado cego do cilindro, essa abordagem equilibra o peso da placa durante todo o curso descendente.

A válvula de contrabalanço também pode ser usada para frear o movimento rotacional de um motor hidráulico com carga pesada. Para um motor hidráulico que aciona rodas pesadas, uma vez que as rodas ganham momento, o motor pode acelerar excessivamente (sobreviragem). Se uma válvula de contrabalanço for instalada na saída do motor, a válvula só abre quando a pressão de saída atinge o valor definido. Essa contrapressão neutraliza a força gerada pela conversão do momento rotacional da roda pesada.

Figura 11-3 Válvula de contrabalanço. (Superior) Impede que a placa da prensa caia descontroladamente. (Inferior) Impede que o motor com carga pesada acelere excessivamente quando a carga aciona o motor.

Válvula de alívio simples

Uma válvula de alívio simples consiste essencialmente em um corpo de válvula com um carretel pressionado por uma mola rígida. Quando a pressão no lado do carretel oposto à mola aumenta o suficiente, o carretel se move e abre uma passagem para desviar o fluxo da bomba para o tanque.

No circuito de exemplo, a válvula de alívio simples é ajustada de modo que, quando a pressão na saída da bomba atingir 1.000 psi (68,97 bar), ocorra um fluxo de alívio de 10 gpm (37,9 lpm). Isso não significa que a válvula se abra subitamente em 1.000 psi; ao contrário, em pressões inferiores a 1.000 psi (68,97 bar), a válvula começa a se abrir em um ponto de baixa pressão, desviando parte do fluxo para o reservatório. À medida que a pressão se aproxima de 1.000 psi (68,97 bar), a abertura aumenta gradualmente para permitir a passagem de maior fluxo para o reservatório. No ponto de ajuste de 1.000 psi (68,97 bar), a abertura do orifício é suficientemente grande para permitir a passagem integral dos 10 gpm (37,9 lpm). Quando a pressão do sistema cair abaixo da pressão de abertura da válvula de alívio, a passagem para o reservatório criada pela abertura da válvula desaparece do circuito.

Efeito da Temperatura no Ajuste da Válvula de Alívio

A abertura de uma válvula de alívio é essencialmente uma função de orifício. Como qualquer dispositivo de orifício, o fluxo através dele é afetado pela temperatura do fluido e, portanto, pela sua viscosidade.

Para uma válvula de alívio regulada em 1.000 psi (68,97 bar) desviar 10 gpm (37,9 lpm), presume-se que a viscosidade do óleo permaneça constante. À temperatura ambiente, a viscosidade do óleo no reservatório do equipamento é de 400–500 SUS (86,3–107,9 cSt). Com essa viscosidade, ao ajustar a válvula de alívio do sistema em 1.000 psi (68,97 bar), são desviados 10 gpm (37,9 lpm) através da abertura do orifício. Assim que o óleo aquece, a pressão da bomba pode ser limitada a 900 psi (62 bar) ou menos. O motivo é que, à medida que a temperatura do óleo aumenta, sua viscosidade diminui — por exemplo, para 100 SUS (21,6 cSt). Isso significa que uma força de pressão menor é capaz de empurrar 10 gpm (37,9 lpm) de vazão através da abertura da válvula de alívio para o tanque.

O oposto ocorre quando a válvula de alívio é regulada na viscosidade de operação: ao iniciar a bomba, a temperatura do óleo está baixa e sua viscosidade, alta, podendo a pressão da bomba atingir 1.100 psi (75,9 bar). Em sistemas com limites máximos estritos de pressão da bomba, o sistema deve ser pré-aquecido antes do ajuste da válvula de alívio.

Figura 11-5 Efeito da temperatura na pressão de ajuste da válvula de alívio. Óleo frio (alta viscosidade) exige maior pressão para permitir a mesma vazão. Aqueça sempre o sistema antes de ajustar a válvula de alívio.

Efeito do Desgaste da Bomba no Ajuste da Válvula de Alívio

O desgaste da bomba também afeta a pressão de ajuste da válvula de alívio. Para uma válvula de alívio ajustada para derivar 10 gpm (37,9 lpm) a 1.000 psi (68,97 bar), desde que seja fornecida uma pressão de 1.000 psi (68,97 bar) na porta de entrada da válvula, um fluxo de bomba de 10 gpm (37,9 lpm) pode ser derivado através do orifício da válvula para o reservatório. À medida que bomba hidráulica a bomba se desgasta, seu fluxo de saída diminui; consequentemente, o fluxo através da válvula de alívio também diminui, fazendo com que a pressão caia também. Para uma válvula ajustada em 1.000 psi (68,97 bar) para derivar 10 gpm (37,9 lpm), quando o fluxo de derivação cai para 5 gpm (18,95 lpm) devido ao desgaste da bomba, a pressão da válvula de alívio do sistema pode reduzir-se apenas a 900 psi (62 bar). Ao ajustar a pressão de ajuste da válvula de alívio, situações semelhantes ocorrerão.

Pressão de Abertura de uma Válvula de Alívio Simples

A pressão de abertura é a pressão na qual a válvula de alívio começa a abrir sua passagem de derivação. Para uma válvula de alívio simples, essa pressão é ligeiramente inferior ao valor ajustado da válvula de alívio. As válvulas de alívio simples apresentam a característica de pressão de abertura prévia.

No diagrama da curva de desempenho da válvula de alívio simples, a válvula está ajustada para derivar 10 gpm (37,9 lpm) a 1.000 psi (68,97 bar). A curva mostra que a válvula se abre em 800 psi (55,2 bar) e, à medida que a pressão se aproxima de 1.000 psi (68,97 bar), o fluxo de derivação aumenta — finalmente, em 1.000 psi (68,97 bar), a abertura do orifício é suficientemente grande para permitir a passagem de 10 gpm (37,9 lpm).

Efeito da pressão de abertura prévia no sistema

A pressão de abertura prévia da válvula de alívio é uma desvantagem para o sistema. Suponha que a bomba/motor produza 750 psi (51,7 bar) e forneça 10 gpm (37,9 lpm) ao atuador, onde são necessários 550 psi (37,9 bar) para a carga e os 200 psi restantes (13,8 bar) superam a resistência do fluido. Usando uma válvula de alívio simples ajustada em 1.000 psi (68,97 bar), nesse momento a válvula permanece fechada e todo o óleo sob pressão vai diretamente para a carga de trabalho.

Se a pressão da carga aumentar para 700 psi (48,28 bar), a bomba/motor deverá elevar sua pressão de saída para 900 psi (62,1 bar) (supondo fluxo de saída constante). Como a pressão de abertura da válvula de alívio é de 800 psi (55,2 bar), com a pressão atual da bomba, 5 gpm (18,95 lpm) são desviados, o que significa que o atuador recebe menos do que o fluxo total da bomba, concluindo a ação com velocidade reduzida. Ao mesmo tempo, o óleo flui através do orifício da válvula de alívio e gera calor desnecessário.

Se a pressão de carga for 750 psi (51,7 bar), a bomba/motor precisará produzir 950 psi (65,5 bar) — pressão ainda maior com maior vazão desviada através do orifício da válvula de alívio, a velocidade do atuador diminui ainda mais e é gerado ainda mais calor desnecessário.

Figura 11-7 Efeito da pressão de pré-ruptura. A válvula de alívio simples começa a desviar vazão antes que a pressão ajustada seja atingida, reduzindo a velocidade do atuador e dissipando energia na forma de calor em pressões intermediárias de carga.

Válvula de Pressão Normalmente Aberta

A válvula de controle de pressão normalmente fechada mantém seus orifícios primário e secundário desconectados na posição normal, detectando a pressão no orifício primário. A válvula de pressão normalmente aberta mantém seus orifícios primário e secundário conectados na posição normal, detectando a pressão no orifício secundário.

Válvula redutora

A válvula redutora é tipicamente uma válvula de controle de pressão normalmente aberta.

Como funciona uma válvula redutora

Uma válvula redutora opera detectando a pressão a jusante da válvula. Quando a pressão a jusante iguala a pressão ajustada da válvula, o êmbolo fecha parcialmente, formando um orifício que converte a energia de pressão excedente a montante em calor. Se a pressão a jusante cair, o êmbolo se abre mais, permitindo que a pressão volte a subir.

Aplicação do circuito com válvula redutora

O circuito de fixação de exemplo exige que o cilindro de fixação B aplique uma força menor do que a do cilindro de fixação A. Para alcançar esse objetivo, instala-se uma válvula redutora imediatamente antes do cilindro de fixação B, reduzindo assim a pressão fornecida ao cilindro B até o valor ajustado na válvula redutora. Nesse ponto de pressão ajustada, a ação do êmbolo da válvula redutora cria uma função de orifício, convertendo a energia de pressão excedente a montante em calor. O cilindro B realiza a fixação à pressão reduzida.

Queda estática de pressão da válvula redutora (desvio)

A pressão na porta secundária da válvula redutora, nas condições de vazão nominal, é menor do que nas condições de vazão nula. A diferença entre essas duas pressões reduzidas é denominada deslocamento da queda de pressão estática da válvula redutora. A queda estática é uma característica inerente à válvula redutora que ajuda a explicar ainda mais por que a pressão aumenta com a vazão. Uma válvula redutora com vazão nominal de 15 gpm (56,85 lpm), operando à vazão e à pressão de trabalho nominais, apresenta um deslocamento da queda de pressão estática de cerca de 50 psi (3,45 bar), enquanto uma válvula redutora de 100 gpm (379 lpm) pode apresentar um deslocamento da queda de pressão estática tão alto quanto 150 psi (10,3 bar).

Figura 11-9 — Queda de pressão estática da válvula redutora. A pressão de saída é ligeiramente menor durante o escoamento do que quando o escoamento cessa. Quanto maior a vazão nominal da válvula, maior esse deslocamento.

Dreno — interno e externo

À medida que a válvula de controle de pressão se desloca dentro do corpo da válvula, um pouco do óleo sob pressão vaza para a cavidade acima do êmbolo. Para que a válvula funcione corretamente, a cavidade acima do êmbolo deve drenar continuamente o óleo, evitando assim o bloqueio do movimento do êmbolo. A drenagem é obtida mediante a criação de uma passagem de drenagem no interior do corpo da válvula e sua conexão com o reservatório.

Drenagem interna

Se a porta secundária da válvula de pressão estiver conectada ao reservatório — como ocorre com as válvulas de alívio e as válvulas de contrapeso — a passagem de drenagem conecta-se internamente à porta secundária (porta de retorno). Isso é denominado drenagem interna.

Drenagem externa

Se a porta secundária da válvula de pressão for uma porta de pressão (porta de trabalho), como nas válvulas de sequência e nas válvulas redutoras de pressão, a passagem de drenagem constitui uma linha separada que conduz ao reservatório. Isso é denominado drenagem externa. As válvulas de sequência e as válvulas redutoras de pressão são, normalmente, válvulas de controle de pressão com drenagem externa.

Controle direto e controle remoto

Até agora, a detecção de pressão tem sido feita por meio de passagens no interior do corpo da válvula. Normalmente, em válvulas normalmente fechadas, a detecção ocorre na porta primária; em válvulas normalmente abertas, ocorre na porta secundária. Esse tipo de detecção de pressão é denominado controle direto ou controle local. Uma válvula de controle de pressão também pode detectar a pressão de outra parte do sistema por meio de um tubo externo — isso é chamado de controle remoto ou controle piloto.

Figura 11-10: Controle direto (esquerda) detecta a pressão na própria porta da válvula. Controle remoto (direita) permite que um sinal de pressão distante abra ou ajuste a válvula — útil para descarga de acumuladores e sequenciamento de múltiplos atuadores.

Válvula de descarga

Uma válvula de descarga é uma válvula de controle de pressão normalmente fechada com controle remoto. Quando a pressão do sistema no ponto de detecção atinge um valor pré-ajustado, a válvula desvia o fluxo para o reservatório.

Aplicação do circuito com válvula de descarga

No circuito do acumulador com uma válvula de pressão de controle direto, assim que o acumulador atinge a pressão ajustada da válvula, o fluxo de saída da bomba retorna ao tanque na pressão de alívio da válvula. Isso desperdiça uma quantidade significativa de potência e gera grandes quantidades de calor desnecessário. Ao conectar a linha de controle à válvula de descarga localizada a jusante da válvula de retenção, quando o acumulador atinge a pressão ajustada da válvula, a pressão de controle abre essa válvula, direcionando o fluxo da bomba para o tanque à pressão mais baixa possível. Nesse momento, a bomba não precisa fornecer alta pressão para manter a válvula de descarga aberta, pois a pressão de controle provém do acumulador, isolado pela válvula de retenção. Como, nesse instante, a pressão da bomba é desprezível, a perda de potência também é desprezível.

Figura 11-11 – Circuito com válvula de descarga. Quando o acumulador está carregado, a válvula de retenção isola-o da bomba e a válvula de descarga direciona o fluxo da bomba para o tanque à pressão mínima, economizando quase toda a potência da bomba durante o estado de espera.

Válvula de Contrapeso Controlada Remotamente

Uma válvula de contrabalanço de acionamento direto instalada a jusante do cilindro que suporta a platina da prensa pode equilibrar ou anular eficazmente o peso da platina. Contudo, durante o processo de prensagem, quando a platina atravessa o material, o peso da platina não deve ser somado à força total de prensagem. Caso isso não seja desejável, a válvula de contrabalanço deve utilizar controle remoto, com sua linha de controle conectada à outra linha de trabalho do cilindro. Ao empregar uma válvula de contrabalanço com controle remoto, a platina permanece equilibrada durante o movimento descendente, mas, durante o processo de prensagem, o peso da platina pode ser utilizado como parte da força de prensagem. Durante todo o curso descendente, na fase de curso ocioso, o peso próprio da platina tende a puxar a haste do cilindro para baixo; nessa situação, a pressão a montante e a pressão na linha de controle diminuem, fazendo com que a válvula de contrabalanço tenda a fechar, aumentando a resistência e impedindo que o fluxo acompanhe a velocidade descendente; já no processo de prensagem, a válvula de contrabalanço é totalmente aberta pela alta pressão de controle a montante, sem pressão de retorno no lado da haste, permitindo assim que o peso da platina contribua para a força de prensagem.

Válvula de contrabalanço de acionamento direto em um circuito com motor

No circuito hidráulico com motor mostrado, uma válvula de contrabalanço de acionamento direto é utilizada para frear a inércia rotacional da carga pesada. A válvula de contrabalanço é ajustada em 800 psi (55,2 bar), fornecendo continuamente pressão de retorno à carga em rotação, de modo que a velocidade da carga não possa exceder a vazão da bomba e causar sobrevelocidade. No entanto, isso também significa que a pressão na entrada do motor deve superar a pressão de trabalho da carga mais 800 psi (55,2 bar) — trata-se de uma desvantagem. Para superá-la, pode-se utilizar, em vez disso, uma válvula de freio.

Válvula de freio

Uma válvula de freio é uma válvula de controle de pressão normalmente fechada, dotada de portas de controle direto e remoto. Ambos os métodos de controle são conectados simultaneamente. As válvulas de freio são comumente empregadas com motores hidráulicos e substituem as válvulas de contrabalanço de acionamento direto em circuitos hidráulicos com motor.

Construção da válvula de freio

A válvula de freio é composta por um corpo de válvula, um carretel, um pistão de controle, uma mola de pré-carga e um dispositivo de ajuste da mola. O corpo da válvula possui passagens primária, secundária, de controle interno e de controle externo.

Como funciona a válvula de freio

A válvula de freio é uma válvula normalmente fechada. Suponha que a mola de pré-carga esteja ajustada para abertura de controle direto em 800 psi (55,2 bar). Quando a pressão na passagem interna de controle atinge 800 psi (55,2 bar), o pistão de controle move-se para cima e empurra o carretel, abrindo a válvula de freio. Quando a pressão cai abaixo de 800 psi (55,2 bar), a válvula fecha-se. Essa ação é idêntica à de uma válvula de contrabalanço de ação direta. A área interna do pistão de controle é muito menor que a área da seção transversal do carretel — a relação de áreas é tipicamente de 8:1. A porta de controle externa é geralmente conectada à outra linha de trabalho do motor. A pressão externa atua na extremidade oposta da câmara da mola do carretel — são necessários apenas 100 psi (6,89 bar) para abrir a válvula, pois essa pressão atua na extremidade inferior do carretel, cuja área é 8 vezes maior que a do pistão de controle.

Aplicação do circuito com válvula de freio

Suponha que a válvula de freio esteja ajustada para controle direto em 800 psi (55,2 bar). Quando a pressão na linha de entrada do motor atingir 100 psi (6,89 bar), a válvula de freio abrirá e a pressão de entrada do motor será totalmente utilizada para acionar a carga (supondo que 100 psi / 6,89 bar seja maior). Se a carga ultrapassar a velocidade nominal, a pressão de entrada do motor diminuirá, a válvula de freio fechará e a pressão de contrapressão de 800 psi (55,2 bar) será reestabelecida, aumentando a resistência e reduzindo a velocidade da carga.

A válvula de freio é uma válvula de controle de pressão normalmente fechada. Seu funcionamento está diretamente relacionado às necessidades da carga do motor.

Figura 11-13 – Válvula de freio. Diferentemente de uma válvula de contrabalanço simples, a válvula de freio possui controle tanto direto (interno) quanto remoto (externo). A relação de áreas de 8:1 significa que apenas 100 psi de pressão piloto externa são necessários para abri-la — permitindo, assim, que o motor acione facilmente a carga, ao mesmo tempo em que fornece frenagem por contrapressão de 800 psi quando a carga tenta superar a velocidade máxima.

Fluxo reverso através de válvulas de controle de pressão

Exceto válvulas de alívio e válvulas de descarga, todas as válvulas de pressão normalmente exigem fluxo reverso para poderem passar livremente. As válvulas de pressão normalmente fechadas detectam a pressão na porta primária — se o fluxo inverter, a pressão na porta primária cairá, o carretel se fechará e a conexão entre as portas primária e secundária será interrompida. Como o fluxo reverso não pode passar por válvulas de pressão normalmente fechadas, é necessário utilizar uma válvula de retenção para contornar esse tipo de válvula.

As válvulas de pressão normalmente abertas detectam a pressão na passagem secundária — enquanto o fluxo se inverter, desde que a pressão a jusante permaneça abaixo do valor ajustado, a passagem da válvula permanecerá sempre aberta, não sendo, portanto, necessária nenhuma válvula de retenção para o fluxo reverso. Entretanto, na prática, assim que a pressão na porta secundária ultrapassar o valor ajustado, o carretel fecha subitamente. Como medida de precaução, é comum utilizar válvulas de retenção em conjunto com válvulas redutoras para garantir o fluxo reverso.

Resumo das Válvulas de Controle de Pressão

A partir do estudo deste capítulo, podemos resumir as principais regras para válvulas de controle de pressão:

• Regra A: Válvulas de controle de pressão com portas secundárias conectadas a um circuito de pressão exigem drenagem externa (válvulas de sequência e válvulas redutoras).
• Regra B: Válvulas de controle de pressão com portas secundárias conectadas ao reservatório normalmente utilizam drenagem interna (válvulas limitadoras de pressão, válvulas de descarga, válvulas antideslizamento e válvulas de freio).
• Regra C: Para permitir o fluxo reverso livre através de uma válvula de controle de pressão, é necessário utilizar uma válvula de retenção.

Figura 11-15: Símbolos gráficos para todas as válvulas de controle de pressão. Observação: as válvulas de sequência e as válvulas redutoras possuem sempre linhas de drenagem externa (representadas por linhas tracejadas até o tanque). As válvulas limitadoras de pressão, de descarga e antideslizamento utilizam drenagem interna.

Terminologia das Válvulas de Controle de Pressão

Principais termos utilizados com as válvulas de controle de pressão:

• Controle direto — Utilização de óleo proveniente da própria passagem de controle no interior do corpo da válvula para comandar o carretel. "Ação local" — o carretel é submetido apenas à força de pré-carga da mola.
• Descarga para o tanque — O fluxo passa através de uma válvula limitadora de pressão.
• Pilot (piloto) — A pressão hidráulica utilizada para controlar o movimento do carretel. Detecção de pressão em um local remoto da própria válvula.
• Pressão de abertura (cracking pressure) — A pressão na qual a válvula de alívio começa, pela primeira vez, a abrir a passagem de derivação.
• Pressão de abertura antecipada (pre-cracking pressure) — A tendência de algumas válvulas (especialmente válvulas de alívio simples) de se abrirem abaixo da pressão ajustada.
• Pressão de retorno (back pressure) — Pressão no lado de saída de uma válvula ou atuador que se opõe ao fluxo ou ao movimento.