33-99 No. Rua Mufu E, Distrito de Gulou, Nanjing, China [email protected] | [email protected]
33-99 No. Rua Mufu E, Distrito de Gulou, Nanjing, China [email protected] | [email protected]
Uma válvula de retenção é composta principalmente por um corpo de válvula com orifícios de entrada e saída, e uma parte móvel com mola. A parte móvel pode ser um disco, uma placa ou um êmbolo — em sistemas hidráulicos, trata-se mais frequentemente de uma esfera ou de um assento para êmbolo.
O fluido só pode fluir através de uma válvula de retenção em um único sentido — o sentido de fluxo livre. Quando a pressão do sistema no orifício de entrada aumenta o suficiente para superar a força da mola que mantém o êmbolo na posição fechada, o êmbolo é empurrado para fora do seu assento e o fluido passa. Esse é o sentido de fluxo livre. Quando o fluido tenta fluir no sentido inverso, a partir do orifício de saída, o êmbolo é empurrado contra o seu assento, vedando completamente a passagem e bloqueando o fluxo reverso.
Figura 8-1: Válvula de retenção. O êmbolo com mola assenta-se quando o fluxo se inverte, bloqueando totalmente o fluxo reverso. A válvula de retenção é o equivalente hidráulico de uma via de mão única.
Uma válvula de retenção possui tanto funções de controle direcional quanto de controle de pressão — permite o fluxo em apenas uma direção. Em sistemas hidráulicos, as válvulas de retenção são comumente utilizadas como válvulas de desvio, permitindo que o fluxo contorne um componente. Por exemplo, uma válvula de retenção em paralelo com uma válvula de controle de vazão permite que o fluxo reverso contorne o controle de vazão.
As válvulas de retenção também podem isolar um ramal ou um componente de um sistema. Por exemplo, no caso de um acumulador: a válvula de retenção impede que o acumulador descarregue de volta através da válvula de alívio ou da bomba hidráulica.
SEGURANÇA: Quando as válvulas de retenção são utilizadas em circuitos com acumuladores, o circuito deve possuir um mecanismo para descarregar automaticamente o acumulador ao desligar a máquina.
Uma válvula de retenção é, em geral, um dispositivo de baixa vazão; de fato, pode ser projetado para ser totalmente estanque. Uma válvula de retenção pode sustentar uma carga quase indefinidamente. No entanto, lembre-se de que se trata de uma válvula unidirecional — para liberar a carga, a parte móvel deve ser forçada a sair de seu assento. Isso exige um tipo especial de válvula de retenção chamado válvula de retenção pilotada.
Figura 8-2 Três usos comuns de válvulas de retenção em circuitos hidráulicos: derivação ao redor de um controle de vazão, isolamento de um acumulador e limiar de pressão com mola.
A maioria dos componentes hidráulicos do tipo carretel apresenta alguma vazão interna de derivação — isso não indica má qualidade, pois grande parte dessa vazão de derivação é, na verdade, projetada intencionalmente para lubrificar o componente. Contudo, se um sistema exigir que um cilindro mantenha uma carga suspensa sem deslocamento (creep), a vazão torna-se um problema. Nessa situação, deve-se utilizar uma válvula de retenção com capacidade de vedação.
Uma válvula de retenção pilotada permite fluxo livre em um sentido; quando uma pressão piloto força a peça móvel para fora de seu assento, o fluxo reverso também pode passar.
Como uma válvula de retenção comum, uma válvula de retenção pilotada possui um corpo de válvula com orifícios de entrada e saída, um êmbolo (peça móvel) pressionado por mola contra um assento. Adicionalmente, diretamente oposto ao assento, o êmbolo é equipado com uma haste de empurrão e um pistão piloto pressionado por uma mola leve. A pressão piloto proveniente do orifício piloto atua sobre o pistão. A câmara da mola no pistão possui um orifício de drenagem.
Uma válvula de retenção pilotada permite fluxo livre da entrada para a saída da mesma forma que uma válvula de retenção comum. O fluxo que tenta entrar pela saída força o êmbolo contra o assento, fechando a passagem. Quando uma pressão piloto suficiente atua sobre o pistão piloto, este se desloca e empurra o êmbolo de retenção, levantando-o do seu assento. Enquanto a força atuante sobre o pistão piloto for suficientemente grande, o fluxo poderá passar da saída para a entrada.
Figura 8-3: Válvula de retenção pilotada. Sem pressão piloto, atua como uma válvula de retenção comum (fluxo livre em apenas um sentido). Com pressão piloto aplicada, também é permitido o fluxo reverso — possibilitando a liberação da carga.
O uso de uma única válvula de retenção pilotada para vedar o fluxo proveniente da porta B do cilindro mantém a carga suspensa enquanto as vedações do cilindro forem eficazes e não houver vazamentos nas tubulações, no cilindro ou na própria válvula de retenção. Para baixar a carga, basta aplicar pressão piloto da linha A ao pistão de controle.
A pressão piloto para a válvula de retenção pilotada é obtida da linha de trabalho do cilindro hidráulico — desde que a pressão na linha A seja suficientemente alta, a válvula de retenção permanece aberta. Quando a carga está sendo elevada, o óleo passa facilmente pela válvula de retenção, pois esse é o sentido de fluxo livre.
Em algumas situações, cargas conectadas à haste do pistão do cilindro devem ser travadas de forma imóvel. Para alcançar isso, uma válvula de retenção pilotada pode ser instalada em cada linha de trabalho do cilindro — essas válvulas de retenção pilotadas bloqueiam o fluxo que sai do cilindro. Desde que as vedações do cilindro permaneçam eficazes e não haja vazamentos em qualquer ponto, a carga pode ser mantida na posição.
Para um travamento absoluto da carga, deve-se utilizar um cilindro especial de travamento com dispositivo mecânico de bloqueio. O travamento mecânico é o método mais seguro para manter a carga.
Um acumulador armazena pressão hidráulica. Essa pressão hidráulica representa energia potencial que pode ser convertida em energia útil (fluxo e pressão).
Os acumuladores podem ser classificados em tipos carregados por gravidade, por mola e por fluido/gás. Eles diferem quanto à forma como o acumulador mantém a força de trabalho sobre o óleo armazenado.
Um acumulador carregado por gravidade utiliza o peso de um objeto pesado atuando sobre um pistão ou êmbolo para manter a força de trabalho sobre o óleo armazenado. O peso pode ser feito de qualquer material denso — ferro, concreto ou até mesmo água. Os acumuladores carregados por gravidade são, em geral, muito grandes, chegando às vezes a armazenar centenas de galões. Servem simultaneamente múltiplos sistemas hidráulicos e são utilizados em laminadores e sistemas hidráulicos centrais.
A característica desejável de um acumulador carregado por gravidade é que ele armazena óleo a uma pressão relativamente constante — seja o reservatório cheio ou quase vazio, a pressão armazenada permanece essencialmente inalterada. Isso ocorre porque a força que atua sobre o óleo é a gravidade (peso), que é constante — independentemente da quantidade de óleo no acumulador, a força aplicada é a mesma.
Uma característica indesejável dos acumuladores carregados por gravidade é a geração de choque. Quando um acumulador carregado por gravidade é interrompido subitamente durante uma saída de fluxo rápido, a inércia do peso elevado gera picos significativos de pressão no sistema. Isso pode causar vazamentos em tubos e conexões e provocar fadiga mecânica nos metais, levando à falha prematura dos componentes.
Figura 8-6 — Acumulador carregado por gravidade. O peso constante gera pressão constante, independentemente do volume de óleo. Utilizado em grandes sistemas industriais, como os sistemas hidráulicos de usinas siderúrgicas.
Um acumulador com mola utiliza uma mola que atua sobre um pistão para manter a força sobre o óleo armazenado. Os acumuladores com mola são, em geral, menores do que os tipos por gravidade, armazenando poucos galões. Normalmente servem a um único sistema hidráulico e operam, geralmente, em baixa pressão. Quando o óleo sob pressão entra no acumulador com mola, a pressão do óleo armazenado é determinada pelo quanto a mola é comprimida. Quando o pistão se move para cima e comprime a mola 10 polegadas (25,4 cm), a pressão armazenada é maior do que quando a mola é comprimida 4 polegadas (10,2 cm).
Para evitar que o óleo vazado se acumule na câmara da mola, esta possui uma saída de drenagem para que o vazamento seja escoado. Os acumuladores com mola não devem drenar externamente para o reservatório, pois isso causaria espumação do óleo. Independentemente de a extremidade do tubo de drenagem estar acima ou abaixo do nível do fluido no reservatório, o acumulador sempre produzirá espuma durante a operação — quando o acumulador descarrega rapidamente, o óleo acima do pistão não consegue acompanhar o movimento deste, gerando um vácuo parcial na câmara da mola, o que faz com que o ar se separe do óleo. Ao recarregar o acumulador, o pistão sobe, empurrando o óleo contendo ar de volta para o reservatório. Bolhas de ar no reservatório são indesejáveis; portanto, os acumuladores com mola normalmente não possuem drenagem externa.
Nos acumuladores com mola que possuem drenagem externa da câmara da mola, caso a vedação do pistão se desgaste, é necessário intervenção imediata. Sem reparo oportuno, pode ser necessária uma limpeza completa.
Figura 8-7: Acumulador com mola. A força da mola — e, portanto, a pressão armazenada — aumenta à medida que o pistão se desloca para cima. Utilizado em sistemas pequenos e de baixa pressão.
O acumulador líquido/gás é o tipo mais comumente utilizado em sistemas hidráulicos industriais. Ele utiliza gás comprimido para manter a força de trabalho sobre o óleo armazenado.
SEGURANÇA: Em sistemas industriais que utilizam acumuladores líquido/gás, utilize sempre gás nitrogênio seco. Nunca utilize ar comprimido, pois misturas de vapor de gás/óleo são explosivas.
Os acumuladores líquido/gás são classificados em tipo pistão, tipo diafragma e tipo bolsa, conforme o dispositivo utilizado para separar o gás do óleo.
Um acumulador do tipo pistão é constituído por um cilindro e um pistão móvel com anéis de vedação elásticos. O espaço superior do pistão é preenchido com gás comprimido. Quando óleo é introduzido no cilindro, o gás é comprimido. À medida que o óleo é descarregado do acumulador, a pressão do gás diminui. Quando todo o óleo tiver sido descarregado, o pistão atinge o fim de seu curso e tampãoa a saída, mantendo o gás dentro do acumulador.
Um acumulador do tipo diafragma é uma esfera formada pela união de duas semiesferas metálicas através de parafusos. O espaço interno é dividido por um diafragma de borracha sintética — a câmara superior é preenchida com gás. Quando óleo sob pressão entra na outra câmara, o gás é comprimido. Assim que todo o óleo tiver sido descarregado, o diafragma cobre a saída e mantém o gás no acumulador; o diafragma não será empurrado para além de sua espessura.
Um acumulador do tipo bolsa consiste em uma carcaça metálica e uma bolsa interna de borracha sintética. A bolsa é preenchida com gás. Quando o óleo entra na carcaça, o gás na bolsa é comprimido e o óleo flui para fora da carcaça. Quando todo o óleo tiver sido descarregado, a pressão do gás tenta empurrar a bolsa através da saída — mas, ao entrar em contato com a válvula de assento na saída, o óleo dentro da carcaça é automaticamente vedado.
Figura 8-8: Três tipos de acumuladores fluido/gás. Todos utilizam nitrogênio comprimido para armazenar energia hidráulica. O tipo pistão (superior), o tipo diafragma (meio) e o tipo bolsa (inferior) diferem quanto à forma como o gás e o óleo são separados.
Os acumuladores podem desempenhar diversas funções em sistemas hidráulicos: fornecer fluxo, manter a pressão e absorver choques.
O fornecimento de fluxo é uma das aplicações de um acumulador. Um acumulador carregado constitui uma fonte de energia potencial hidráulica. Quando o sistema exige mais fluxo do que a bomba consegue fornecer, a energia armazenada no acumulador pode ser utilizada para gerar fluxo no sistema. Por exemplo, se uma máquina for projetada de modo que o tempo real de trabalho seja muito curto durante seu ciclo operacional, uma bomba de pequena capacidade pode carregar o acumulador por um determinado período. Quando a máquina entra em operação, a válvula direcional muda para a posição de trabalho e o acumulador imediatamente fornece óleo sob pressão ao atuador, conforme necessário. Esse método de utilização do acumulador com uma bomba pequena armazena potência de pico — ou seja, substitui o grande fluxo/potência de uma bomba/motor de grande porte em um curto período por uma bomba/motor menor, cuja potência média é distribuída ao longo de um período mais prolongado.
Os acumuladores podem ser utilizados para manter a pressão. Quando a bomba/motor está fornecendo fluxo a outras partes do sistema, um acumulador pode manter a pressão em um ramo do circuito.
Quando o sistema requer que o cilindro de fixação A retorne, o cilindro de fixação B deve manter a pressão. À medida que a válvula direcional A muda de posição, a pressão nas linhas da bomba hidráulica e do cilindro A cai rapidamente, enquanto o cilindro B é mantido pelo acumulador, que já armazenou quantidade suficiente de óleo sob pressão para compensar as perdas por vazamento nas linhas do cilindro B.
Em outra aplicação, um cilindro de trabalho próximo a um forno experimenta alta temperatura ambiente, o que provoca a expansão térmica do óleo. O acumulador absorve o aumento de volume e mantém a pressão em um nível relativamente constante. Sem o acumulador, a elevação de pressão nas linhas seria descontrolada e poderia causar ruptura do corpo dos componentes, tubulações ou conexões.
Figura 8-10 Acumulador para manutenção de pressão. (Parte superior) Mantém a pressão em um ramo do circuito enquanto a bomba atende outro. (Parte inferior) Absorve as variações de volume decorrentes da expansão térmica do óleo próximo a fontes de calor.
Os acumuladores de fluido/gás também podem ser utilizados para absorver choques no sistema. O choque em um sistema hidráulico pode ser causado pela inércia de uma carga conectada a um cilindro ou motor, ou por uma interrupção súbita do fluxo ou comutação rápida da válvula direcional, o que gera choque devido à inércia do fluido. Um acumulador no circuito pode absorver parte desse choque e impedir que ele se propague por todo o sistema.
Forças mecânicas externas também podem gerar choque hidráulico. Uma carga conectada a um cilindro hidráulico com tendência de retorno empurra o pistão de volta, criando choque hidráulico. Um acumulador instalado na linha do cilindro, se corretamente pré-carregado, ajuda a reduzir o efeito do choque. Se for pré-carregado incorretamente, pode também causar sobrepresão.
Como os acumuladores de fluido/gás utilizam gás comprimido para armazenar pressão de óleo, as propriedades do gás afetam o desempenho do acumulador. Quando um acumulador de fluido/gás é carregado, o gás é comprimido e sua temperatura aumenta. A temperaturas constantes, o gás quente ocupa mais espaço do que o gás mais frio.
O processo isotérmico descreve o estado de operação do acumulador quando a temperatura do gás é mantida constante. Durante o carregamento, a operação isotérmica significa que o gás é comprimido lentamente o suficiente para que todo o calor gerado pela compressão seja totalmente dissipado. O processo adiabático descreve o estado de operação do acumulador quando a temperatura do gás varia. Durante o carregamento, adiabático significa que o gás é comprimido tão rapidamente que todo o calor é retido.
Para um acumulador de fluido/gás carregado à mesma pressão, o processo isotérmico armazena mais óleo do que o processo adiabático.
Exemplo numérico: Um acumulador de pistão inicialmente possui pressão de gás de 500 psi (34,48 bar) e temperatura de 70 °F (21 °C). Se for carregado até 1.000 psi (68,97 bar) por um processo adiabático (rápido), a temperatura e a pressão aumentam simultaneamente. Aos 1.000 psi (68,97 bar), a entrada de óleo cessa; a temperatura é de 150 °F (65,6 °C) e o acumulador armazena 135 in³ (2.215,65 cm³) de óleo. Se o carregamento for isotérmico (lento), a temperatura permanece constante em 70 °F (21 °C) durante todo o processo; aos 1.000 psi (68,97 bar), a entrada de óleo cessa e o acumulador armazena 150 in³ (2.458,5 cm³) de óleo.
Figura 8-12: Carregamento isotérmico versus adiabático. O carregamento lento (isotérmico) armazena mais óleo do que o carregamento rápido (adiabático) à mesma pressão final, pois a temperatura permanece mais baixa e o gás ocupa menos volume.
Durante a descarga de óleo, o gás se expande e esfria. A pressão constante, o gás mais frio ocupa menos espaço do que o gás mais quente. Na prática, a operação do acumulador é geralmente adiabática — não isotérmica. Nas seções seguintes, a principal preocupação não é quanto óleo o acumulador pode armazenar, mas sim quanto óleo ele libera antes de a pressão cair para um nível inferior, o que é fortemente influenciado pela pressão de pré-carga.
Quando um acumulador está completamente vazio de óleo, a pressão do gás carregada no acumulador fluido/gás é a pressão de pré-carga. Essa pressão afeta significativamente o volume efetivo e o desempenho de absorção de choque do acumulador.
Acumuladores de fluido/gás utilizados para gerar fluxo no sistema ou manter a pressão normalmente operam entre a pressão de trabalho máxima e a mínima. Quando totalmente carregado com óleo, o acumulador atinge a pressão de trabalho máxima. Quando necessário, a pressão de trabalho diminui e o acumulador libera óleo até uma pressão mínima mais baixa. O volume de óleo liberado pelo acumulador entre as pressões de trabalho máxima e mínima é o volume efetivo.
A pressão de pré-carga afeta o volume efetivo. Exemplo: um acumulador de fluido/gás de 231 in³ (3.786 cm³) em um sistema utiliza uma pequena bomba para carregar óleo até a pressão do sistema de 2.000 psi (137,9 bar). Para fornecer fluxo, a pressão é reduzida até 1.500 psi (103,4 bar). A pressão de pré-carga escolhida determina a quantidade de óleo que o acumulador fornece ao sistema.
A partir da tabela de desempenho, um acumulador de 231 in³ (3.786 cm³) com pré-carga de 100 psi (6,89 bar) pode armazenar 210 in³ (3.441,9 cm³) de óleo em uma carga isotérmica de 1.000 psi (limite superior = valores isotérmicos). A 1.500 psi (103,4 bar), ele armazena 202 in³ (3.310,8 cm³), fornecendo 8 in³ (131 cm³) entre as duas pressões. Esse acumulador com baixa pré-carga armazena grande volume de óleo, mas fornece muito pouco.
Ao aumentar a pré-carga para 1.000 psi (68,96 bar), o acumulador armazena 93 in³ (1.524,3 cm³) a 2.000 psi (137,9 bar) e 59,5 in³ (975 cm³) a 1.500 psi (103,4 bar), fornecendo 33,5 in³ (594,1 cm³). A pré-carga mais elevada armazena menos óleo, mas fornece muito mais. Com pré-carga de 1.400 psi (96,6 bar), o volume de óleo armazenado é mínimo, mas o volume de óleo fornecido é máximo.
Figura 8-13 – Tabela de desempenho do acumulador (capacidade de 231 in³). Uma pressão de pré-carga mais elevada fornece maior volume de óleo por ciclo entre limites de pressão dados, mas armazena menos óleo no total. Selecione a pré-carga com base no volume efetivo necessário, não na capacidade total.
A saída efetiva de volume de um acumulador deve ser controlada pelo fluxo. Para manutenção da pressão, o fluxo controlado é determinado pela vazão que precisa ser compensada. Para acumuladores utilizados para fornecer óleo sob pressão, quando a válvula direcional a jusante muda de posição, a saída efetiva de volume ocorre muito rapidamente. Por essa razão, esses acumuladores frequentemente possuem válvulas redutoras de fluxo e válvulas de retenção de derivação em suas portas de entrada/saída.
Quando um acumulador de fluido/gás é utilizado como amortecedor de choque, sua pré-carga geralmente é ajustada ligeiramente acima da pressão máxima de trabalho no circuito (ajustada aproximadamente em 100 psi / 6,896 bar acima da pressão máxima definida pela válvula de alívio). Se a pressão máxima de trabalho for definida pela válvula de alívio, a pré-carga pode ser ajustada aproximadamente em 100 psi acima da pressão de abertura da válvula de alívio.
A pressão de pré-carga de um acumulador de fluido/gás afeta sua capacidade de absorção de choque. Em um sistema hidráulico, o choque é causado por forças mecânicas externas atuando sobre um cilindro ou motor, provocando uma rápida elevação da pressão, ou pela inércia do fluido quando uma válvula hidráulica fecha subitamente.
O acumulador pode absorver a parte do óleo sob pressão de choque que ele consegue comprimir e transferir. Uma tubulação com um acumulador torna-se compressível acima de determinada pressão. Se a pré-carga do acumulador for muito baixa, ele já armazena certa quantidade de óleo antes da chegada do choque, podendo, portanto, absorver apenas 4 in³ (65,6 cm³). Se a pré-carga for de 2.500 psi (172,4 bar) — muito alta — a pressão eleva-se a quase 2.800 psi (193 bar) antes de absorver 4 in³. Para amortecedores de choque, a pressão de pré-carga é extremamente importante.
Um acumulador de fluido/gás é carregado com gás até a pressão de pré-carga adequada uma única vez. Isso significa que a mesma pré-carga não pode ser mantida indefinidamente. Quando o acumulador opera, o gás comprimido vaza pela válvula de gás — possivelmente devido à falha da válvula de gás ou à vedação inadequada, ou a um problema no assento cônico do núcleo da válvula na sede da válvula. A pressão do gás também diminui gradualmente durante a descarga de óleo em acumuladores com membrana e diafragma — isso normalmente ocorre de forma catastrófica, causando a ruptura do material sintético de borracha do diafragma. Nos acumuladores de pistão, durante o processo de descarga, o gás carregado pode escapar por meio de selos desgastados, provenientes da área do pistão. A perda gradual da pré-carga pode indicar um acumulador do tipo pistão com certo grau de desgaste.
A pressão correta de pré-carga é fundamental para o desempenho do acumulador de fluido/gás, devendo, portanto, ser verificada regularmente. É necessário um dispositivo de carga com manômetro para verificar a pressão de pré-carga. O dispositivo é composto principalmente por um conector de carga, uma válvula de sangria e um manômetro.
Procedimento para verificação: descarregue todo o óleo do acumulador e remova a tampa protetora (geralmente localizada na válvula de gás na parte superior). Com a alavanca do conector totalmente recolhida, verifique se a válvula de sangria está fechada. Conecte o conector de carga à válvula de gás do acumulador, aperte a porca de asa do conector e assegure uma conexão confiável à válvula de gás. Rosqueie o parafuso do conector até pressionar totalmente o núcleo da válvula de gás do acumulador; leia a pressão indicada no manômetro — essa é a pressão de pré-carga do acumulador.
Se a pré-carga estiver correta, gire a manopla do mandril para fora para fechar a válvula de gás do acumulador, abra a válvula de sangria para despressurizar o dispositivo de carga, afrouxe a porca de asa do mandril, remova o dispositivo do acumulador e reinstale a tampa protetora da válvula de gás.
Se a pré-carga for muito alta, abra a válvula de purga para liberar a pressão em excesso. Se for necessário aumentar a pré-carga, retire primeiro a alavanca do mandril para fechar a válvula de gás do acumulador, abra a válvula de purga para despressurizar o dispositivo de carga, em seguida feche a válvula de purga e conecte o dispositivo de carga a um cilindro de nitrogênio. Gire a alavanca do mandril para dentro para pressionar totalmente o núcleo da válvula de gás do acumulador, abra a válvula do cilindro de nitrogênio para permitir que o gás entre lentamente no acumulador. Quando o manômetro indicar a pressão desejada, feche a válvula de gás. Assim que o manômetro indicar a pré-carga correta, feche a válvula do cilindro de nitrogênio, retire a alavanca do mandril para fechar a válvula de gás do acumulador, abra a válvula de purga e, em seguida, desconecte o tubo flexível de carga e o dispositivo de carga.
Figura 8-15: Verificação e ajuste da pré-carga do acumulador. (Parte superior) Selos desgastados do pistão causam perda gradual da pré-carga. (Parte inferior) Kit padrão de carga com nitrogênio — utilize sempre nitrogênio seco, nunca ar comprimido.
Em um circuito hidráulico típico com acumulador, quando o acumulador está totalmente carregado e nenhuma parte do sistema está em operação, o fluxo da bomba/motor deve ser descarregado para o reservatório à pressão mais baixa possível. No circuito mostrado, uma válvula de descarga é utilizada para essa finalidade. Assim que o acumulador atinge a pressão ajustada na válvula de descarga, esta se abre e direciona o fluxo da bomba para o reservatório.
Normalmente, esse tipo de descarga pode durar apenas alguns segundos, pois sempre há alguma vazão a jusante da válvula de retenção. O acumulador deve compensar essa vazão — a pressão diminui gradualmente — a válvula de descarga fecha-se progressivamente e a abertura para o reservatório vai ficando cada vez menor, até que a pressão no acumulador caia abaixo da pressão de abertura da válvula. À medida que a válvula se fecha, a bomba/motor precisa desenvolver mais potência para recarregar o acumulador até a pressão de abertura da válvula de descarga.
Para garantir que a bomba/motor seja completamente descarregada antes do recarregamento do acumulador, pode-se utilizar um pressostato. No circuito, o pressostato detecta a pressão do acumulador e envia um sinal elétrico de comutação em um ponto de pressão pré-definido. O sinal elétrico é enviado a uma válvula solenoide bidirecional normalmente fechada — essa válvula solenoide pode controlar uma válvula de alívio pilotada para descarregar. Quando o acumulador atinge a pressão ajustada no pressostato, o relé envia um sinal à válvula solenoide para descarregar a válvula de alívio e direcionar o fluxo da bomba/motor para o reservatório através da válvula de alívio.
Figura 8-16 — Circuitos de descarga do acumulador. (Parte superior) Válvula de descarga simples — descarrega para o tanque quando o acumulador atinge a pressão ajustada, mas tende a oscilar. (Parte inferior) Pressostato com válvula de alívio pilotada — garante descarga completa e controle preciso da faixa de pressão.
Após o acumulador ter sido carregado, uma válvula hidráulica de descarga por diferença de pressão pode substituir o interruptor de pressão e a válvula solenoide para liberar a válvula de alívio e descarregar a bomba/motor. A válvula hidráulica de descarga por diferença de pressão é uma válvula projetada especificamente para aplicações com acumuladores. Como o nome sugere, essa válvula utiliza uma diferença de pressão para descarregar a bomba/motor.
A válvula hidráulica de descarga por diferença de pressão é montada a partir de uma válvula de alívio pilotada, uma válvula de retenção e um pistão diferencial em um único corpo de válvula. O corpo da válvula possui três orifícios: orifício de pressão, orifício de retorno e orifício do acumulador.
Dentro da válvula de descarga por pressão diferencial, a válvula de retenção e a válvula de alívio pilotada operam normalmente. O óleo descarregado pela bomba pode carregar o acumulador através da válvula de retenção. O pistão diferencial está posicionado oposto ao êmbolo da válvula de alívio pilotada e pode mover-se livremente no seu alojamento. As duas extremidades do pistão estão sujeitas a áreas iguais de pressão. Quando o acumulador está sendo carregado, a pressão em ambos os lados do pistão é quase igual (desprezando a queda de pressão através da válvula de retenção), de modo que o pistão não se move. Quando a pressão sobre o êmbolo da válvula pilotada for suficientemente elevada, o êmbolo pilotado é empurrado para fora do seu assento — como já se sabe, esse movimento pilotado pode restringir a pressão na câmara da mola da válvula principal. Como a câmara da mola da válvula principal e uma das extremidades do pistão diferencial estão sujeitas à restrição de pressão, o pistão desloca-se em direção ao êmbolo da válvula pilotada, empurrando-o completamente para fora do seu assento, liberando efetivamente a pressão de controle na câmara da mola do êmbolo principal, descarregando assim a válvula de alívio e a bomba/motor. Simultaneamente, a válvula de retenção fecha-se, impedindo que o óleo do acumulador seja descarregado através da válvula de alívio.
A área diferencial do pistão exposta à pressão é 15% maior que a área do êmbolo da válvula piloto. Como força = pressão × área, a força que mantém o êmbolo da válvula piloto afastado de seu assento é 15% maior que a força que levanta o êmbolo da válvula piloto. Isso significa que a mola deve receber uma força superior a 15% de outra fonte para recolocar o êmbolo da válvula piloto em seu assento — ou a pressão do sistema deve cair 15% antes que o êmbolo da válvula piloto possa retornar ao seu assento.
Isso garante que a válvula de descarga por pressão diferencial mantenha a bomba/motor em estado descarregado após o carregamento do acumulador até que a pressão caia em uma porcentagem fixa — geralmente cerca de 15% do ajuste da válvula piloto. Por exemplo, com a válvula piloto ajustada em 1.000 psi (69 bar), a descarga ocorre entre 1.000 psi (69 bar) e 850 psi (59 bar); com a válvula piloto ajustada em 2.000 psi (138 bar), a faixa de descarga é de 2.000 psi (138 bar) a 1.700 psi (117 bar).
Em qualquer aplicação, para que a energia hidráulica realize trabalho útil, ela deve ser convertida em energia mecânica. Os cilindros hidráulicos convertem a energia hidráulica em movimento mecânico linear.
Um cilindro hidráulico é composto por um corpo cilíndrico (tubo), um pistão móvel com anéis de vedação flexíveis conectados a uma haste do pistão e duas tampas extremas. As tampas extremas podem ser roscadas, flangeadas, estampadas ou soldadas ao corpo cilíndrico. Os cilindros hidráulicos industriais normalmente utilizam conexões aparafusadas na extremidade da haste. Quando a haste do pistão se move, o conjunto de vedação da haste do pistão ou um anel-guia destacável guia e suporta a haste do pistão.
A extremidade com a haste do pistão é denominada "extremidade da haste"; a outra extremidade, sem haste, é chamada de "extremidade cega". As conexões de entrada e saída estão localizadas nas tampas da extremidade da haste e da extremidade cega.
Para o funcionamento adequado, a vedação do pistão e da guia da haste do pistão do cilindro hidráulico deve ser confiável. As vedações mais comumente utilizadas nos pistões de cilindros hidráulicos são vedações labiais, anéis de pistão em ferro fundido ou unidades de vedação unidirecionais ou bidirecionais. Os materiais e componentes das vedações devem ser verificados quanto à compatibilidade com o fluido de trabalho e às condições operacionais.
A vedação multicamada da haste do pistão é um tipo eficaz de vedação para a haste do pistão, composta por uma vedação principal com uma superfície interna de vedação em forma de lábio, um limpador que mantém contato contínuo com a superfície da haste do pistão durante a operação e remove o óleo de trabalho da superfície da haste do pistão. A vedação secundária contra poeira coleta o óleo residual deixado pela vedação principal e, durante a retração da haste do pistão, remove quaisquer partículas estranhas aderidas à haste do pistão.
Como descrito acima, o óleo acumulado na cavidade entre a vedação principal e a vedação contra poeira pode retornar ao fuste do cilindro durante o curso de retração — isso é normal. No entanto, se o curso do cilindro for particularmente longo (10 pés / 3,05 m ou mais), o óleo acumulado na cavidade da vedação poderá ser suficiente para exceder a capacidade da vedação da haste do pistão. Nessa situação, e quando houver excesso de óleo na cavidade da vedação, a cavidade da vedação da haste do pistão deve possuir uma conexão de drenagem externa.
Figura 8-18: Detalhes da construção do cilindro. A tampa da extremidade da haste contém o conjunto de vedação da haste do pistão. Em cilindros de curso longo, é adicionado um orifício de drenagem para evitar que o óleo sobrecarregue a vedação.
Quando a energia hidráulica impulsiona o pistão do cilindro até o fim do curso (o final do deslocamento do cilindro), a inércia do óleo transforma-se em choque — o chamado "choque hidráulico". Se essa energia for suficientemente grande, esse choque poderá danificar os cilindros hidráulicos.
Para proteger cilindros hidráulicos de choques excessivos, podem ser instalados dispositivos de amortecimento. Esses dispositivos podem desacelerar o pistão do cilindro próximo ao fim do curso. Os dispositivos de amortecimento podem ser instalados em uma das extremidades ou em ambas as extremidades de um cilindro hidráulico.
Um dispositivo de amortecimento é composto por uma válvula de agulha reguladora de fluxo e uma ponta de amortecimento instalada na extremidade cega do pistão, além de uma luva de amortecimento montada no haste do pistão. Esses componentes atuam como tampões em cada extremidade.
À medida que o pistão do cilindro hidráulico se aproxima do fim do curso, a haste de amortecimento ou a luva de amortecimento bloqueia a saída normal de óleo. Isso obriga o óleo a fluir apenas através da válvula de agulha. Parte do óleo sob pressão, ajustado na válvula de alívio, escapa através da válvula de agulha. O fluxo restante através da válvula de agulha determina a taxa de desaceleração do cilindro. O ajuste da válvula de agulha determina a taxa de desaceleração do pistão. No curso de retorno, o fluxo entra no cilindro através de uma única válvula de retenção (não mostrada), contornando assim a válvula de agulha, de modo que a velocidade de retorno não é afetada.
Por vezes, o comprimento do curso de um cilindro hidráulico deve ser limitado por controle externo. Instalando-se um parafuso de batente que pode ser rosqueado para dentro e para fora no corpo do cilindro, o curso pode ser pré-ajustado. Qualquer tipo de dispositivo de ajuste de curso deve ser verificado quanto ao cumprimento dos requisitos relativos à força de parada, colisão, impacto e efeitos dimensionais.
Figura 8-19: Amortecedores de cilindro, ajustadores de curso, estilos de fixação e tipos de carga. Os amortecedores protegem o cilindro no final do curso; o estilo de fixação determina a capacidade do cilindro de suportar sua carga.
Os cilindros hidráulicos possuem diversos estilos de fixação, incluindo: flanges, articulações (trunnions), suportes laterais (side-lug mounts), parafusos na linha central, anéis duplos com suportes (double lug rings), hastes de fixação (tie-rods) e fixações por soldagem. Os suportes centrais (center-lug mounts) ou as fixações por soldagem constituem um projeto muito eficaz, pois geram o mínimo desalinhamento possível durante a operação do cilindro.
Os cilindros hidráulicos podem converter energia hidráulica em movimento mecânico retilíneo ou linear. No entanto, devido à seleção de ligações mecânicas, os cilindros também podem fornecer diversos tipos de movimento mecânico.
Os cilindros hidráulicos podem mover muitos tipos diferentes de carga em inúmeras aplicações. Em geral, as cargas empurradas pela haste do pistão são denominadas cargas de empurrar; as cargas puxadas pela haste do pistão são denominadas cargas de puxar.
Um tubo de parada é uma luva metálica maciça montada sobre o haste do pistão. Quando a haste do pistão de um cilindro de curso longo está totalmente estendida, o tubo de parada separa o pistão e a luva-guia por uma determinada distância. A luva-guia da haste do pistão é um mancal que suporta a haste do pistão durante a operação do cilindro. Ele é projetado para suportar uma determinada carga. Além de funcionar como eixo, a luva-guia da haste do pistão também constitui um ponto de aplicação de carga sobre essa haste. Em cilindros de curso longo conectados a cargas, a haste do pistão, na ausência de uma guia rígida, tende a vergar quando totalmente estendida, ou pode ocorrer flexão na luva-guia, gerando uma carga lateral que danifica a luva-guia da haste do pistão.
A função do tubo de parada é separar o pistão e a luva-guia por uma determinada distância quando a haste do pistão está totalmente estendida, reduzindo assim a carga sobre a luva-guia da haste do pistão.
Os cilindros hidráulicos existem em diversos tipos. Abaixo estão alguns dos tipos mais comumente utilizados; eles também aparecerão em determinados circuitos de aplicação nas lições posteriores.
Figura 8-20 Tipos de cilindro hidráulico. Cada tipo é adequado a uma aplicação específica: telescópico para curso longo em espaço limitado, tandem para alta força em diâmetro de câmara limitado, e de duplo êmbolo para força/velocidade iguais em ambas as direções.
O tipo mais comum na hidráulica industrial é o cilindro de ação dupla com êmbolo simples. Para esse tipo, as principais preocupações são a vazão admissível (gpm) e a pressão admissível (psi), bem como a força mecânica convertida e o movimento da haste do êmbolo.
A área do êmbolo e a área efetiva do êmbolo são geralmente discutidas para cilindros de ação dupla com êmbolo simples. A área grande do êmbolo corresponde à seção transversal total do êmbolo exposta à pressão no fundo cego do cilindro (lado sem haste). A área efetiva pequena (área anular) corresponde à área do êmbolo exposta à pressão no lado da haste, pois a haste do êmbolo ocupa parte dessa área. Portanto, a área efetiva pequena é, em geral, menor que a área grande.
A velocidade de extensão da haste do pistão do cilindro hidráulico é determinada pela rapidez com que o fluido enche a extremidade cega do cilindro. A velocidade da haste do pistão é comumente expressa em pés/min ou m/min:
Velocidade da haste (pés/min) = Vazão (gpm) × 19,25 ÷ Área do pistão (pol²)
*Velocidade da haste (m/s) = Vazão (L/min) × 0,167 ÷ Área do pistão (cm²)
* Se o cálculo for feito em m/s e o resultado for inferior a 0,1 m/s, expresse o resultado em mm/s.
Exemplo: um cilindro com área do pistão de 10 pol² (64,5 cm²) recebe uma vazão de 5 gpm (18,95 L/min). Velocidade da haste = (5 × 19,25) ÷ 10 = 9,63 pés/min (49 mm/s). Com o dobro da vazão (10 gpm / 37,9 L/min), a velocidade da haste duplica para 19,25 pés/min (97,33 mm/s).
Durante a retração da haste do pistão, a vazão entra na extremidade da haste. À mesma vazão de entrada, a velocidade de retração é maior que a velocidade de extensão — utilize a área menor (anular) do pistão na fórmula.
Exemplo: uma vazão de 10 gpm (38 l/min) entra na extremidade da haste de um cilindro com área maior de 10 in² (65 cm²) e área menor de 8 in² (52 cm²). Velocidade de retração = (10 × 19,25) ÷ 8 = 24,06 ft/min (0,12 m/s).
Velocidade da haste (ft/min) = Vazão (gpm) × 19,25 ÷ Área menor (in²)
Velocidade da haste (m/s) = Vazão (L/min) × 0,167 ÷ Área menor (cm²)
Com a mesma vazão de entrada, um cilindro de dupla ação com haste simples retrai mais rapidamente do que se estende.
Durante a retração, o fluxo entra na extremidade da haste e sai pela extremidade cega. A vazão de descarga é maior que a vazão de entrada — pode ser calculada com a mesma fórmula usada para gpm (l/min), mas utilizando a área maior do pistão. Exemplo: 10 gpm entrando na extremidade da haste à velocidade de 24,06 ft/min: vazão de saída = (24,06 × 10) ÷ 19,25 = 12,5 gpm (46 L/min).
Como mostrado, a força produzida por um cilindro hidráulico é uma função da pressão hidráulica atuando na área do pistão do cilindro. Se um determinado cilindro precisar produzir mais do que a força de saída máxima atual, muitas vezes basta elevar a pressão a um nível proporcional. Em algumas situações, a pressão do sistema e o tamanho do cilindro não permitem a utilização de um cilindro maior — um cilindro tandem pode resolver esse problema.
Um cilindro tandem consiste em dois ou mais cilindros conectados em série. As hastes dos pistões são unidas para formar uma única haste de pistão comum. As vedações das hastes dos pistões entre os cilindros permitem que cada cilindro opere de forma dupla-acionada. Quando o tamanho do cilindro é limitado pelo espaço disponível e pelas dimensões da máquina, embora a pressão gerada pela bomba/motor seja relativamente baixa, é possível obter a mesma força mecânica de saída.
Exemplo: a instalação da máquina de maior porte permite uma área de pistão de 10 in² (64,5 cm²). A pressão máxima necessária para superar a resistência da carga é apenas 500 psi (34,48 bar). Ao adicionar uma pressão de 500 psi (34,48 bar) sobre o lado da área efetiva de 8 in² (51,6 cm²), com pressão de retorno, gera-se uma força de 781 psi (53,86 bar). Em um circuito em tandem com dois cilindros, cada um operando a 500 psi (34,48 bar) com área de 10 in² e área efetiva de 8 in², a saída combinada é muito maior.
FÓRMULAS PRINCIPAIS – CAPÍTULO 8
|
Fórmula |
Equação |
Observações |
|
Velocidade de extensão da haste |
v = Q × 19,25 / A_grande |
Q em gpm, A em in², v em pés/min |
|
Velocidade de retração da haste |
v = Q × 19,25 / A_pequena |
Utilizar a área anular (pequena) |
|
Velocidade da haste (SI) |
v = Q × 0,167 / A |
Q em L/min, A em cm², v em m/s |
|
Descarga do lado cego |
Q_saida = v × A_grande / 19,25 |
Mais saídas do que entradas durante a retração |
|
Força do cilindro |
F = P × A |
F em lbf, P em psi, A em pol² |
Bem-vindo à HOVOO, uma fábrica de selos chinesa. Produção de selos de PU, borracha e PTFE. Os selos incluem O-ring, selo de pistão, selo de haste, anel cinza e selo de gás.
EN
AR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
ID
LV
SR
SK
VI
HU
MT
TH
TR
FA
MS
GA
CY
IS
KA
UR
LA
TA
MY
