Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva

1

Atuadores e Sistemas Hidrulicos

Prof. Dr. Emlio Carlos Nelli Silva

Aula 1

Escola Politcnica da USP

Departamento de Engenharia Mecatrnica e Sistemas

Mecnicos

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2 Introduo

Ano 200 AC: rodas dgua;

1600: bomba de engrenagens (Johannes Kepler);

1640 e 1795: prensa hidrulica (Pascal e Bramah);

Sculo XIX: indstria naval (ncora, direo, guindastes);

1900: gua substituda por leo; bomba de pistes axiais;

1910: controle de turbinas hidrulicas, motor de pistes

radiais;

1950: acumulador hidropenumtico;

ps 1960: mecanizao e automao (servo hidrulica);

Hidrulica o ramo da engenharia que estuda a aplicao de

um lquido para a tecnologia de acionamento e comando

Histrico

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3

Lquido em geral inflamvel;

Necessita linhas de retorno;

Alta viscosidade vazamentos so mais difceis;

Lquido em geral incompressvel atuadores podem atingir

posies intermedirias com preciso Circuitos hidrulicos so

anlogos aos circuitos eletrnicos analgicos.

Sistema Hidrulico Genrico

Tecnologia de Acionamento Hidrulico

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4 Campo de Aplicao da Hidrulica

Mquinas operatrizes, prensas, robs

industriais;

Mquinas de preciso

Siderurgia, engenharia civil (comportas e

represas, pontes mveis), gerao de energia

e extrao mineral;

Tratores, guindastes, mquinas agrcolas,

carros, etc..;

Aplicaes navais (controle do leme,

guindastes, etc..);

Controle de aeronaves, trens de

aterrisagem, simuladores

de vo, disjuntores de centrais eltricas;

Equipamentos odontolgicos e hospitalares,

postos de gasolina, prensas de lixo urbano,

etc...

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5 Caractersticas dos Sistemas Hidrulicos

Baixa relao peso/potncia (aplicaes aeronuticas);

Resposta rpida (inverso de movimentos);

Variao contnua de fora e velocidade nos atuadores

(sistema analgico);

Controle de sistemas rpidos;

Movimento preciso em sistemas lentos;

Segurana sobrecarga;

Componentes lubrificados pelo prprio fluido;

Capacidade de armazenar energia (acumuladores);

Vantagens:

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6 Caractersticas dos Sistemas Hidrulicos

Desvantagens:

Custo elevado em relao a sistemas mecnicos e

eltricos;

Perdas por vazamentos internos e externos;

Compressibilidade, embora pequena, pode afetar;

Presena de ar (bolhas - cavitao) provoca movimento

pulsante nos atuadores;

Cuidados com cavitao;

Baixo rendimento devido perda de carga nas

canalizaes e nos componentes;

Alterao da temperatura, altera a viscosidade que altera

as perdas por vazamentos. Soluo: trocadores de calor;

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7 Princpio de Pascal

Pricpio da Prensa Hidrulica

1

2

F

F

1

2

A

A

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8 Conservao da Massa - Eq. da Continuidade

Se escoamento incompressvel (ideal): Volume de Controle Fixo

Escoamento unidimensional

em regime permanente num

componente qualquer de um

sistema

Neste caso, o volume de controle com uma

entrada e uma sada fixo e as propriedades

so invariantes no tempo.

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9 Eq. da Continuidade aplicada Prensa Hid.

Potncia:

Prensa Hidrulica

Com a Equao da Continuidade podemos

descrever o comportamento da prensa

hidrulica. Consideramos o escoamento

incompressvel, portanto a velocidade do

pisto 2 determinada pela vazo

produzida pelo cilindro 1.

2211 AyAyQ

11

1

111 Qp

A

AFyP

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10 Acionamento Hidrosttico

Acionamento Hidrosttico consiste na transmisso de movimentos rotativos

atravs de sistemas hidrulicos, se utilizando de bombas hidrulicas e

motores hidrostticos.

Volume deslocado em uma rotao completa do motor, sendo A a rea da

palheta e d o dimetro mdio do motor hidrosttico:

Sendo 1 o ndice da bomba e 2

o ndice do motor:

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11 Acionamento Hidrosttico

Onde p1= ps pe ; p2 = pe ps ; T1 e

T2 so torques aplicados nos eixos da

bomba e do motor respectivamente.

Admite-se, para este caso que as perdas de

energia nas canalizaes so desprezveis,

portanto p1 = p2 . Assim:

Clculo da Potncia requerida

pela bomba e pelo motor:

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12 Conservao da Massa-Eq. da Continuidade

Volume de Controle Varivel

Escoamento em um dispositivo

de armazenamento de energia,

volume de controle varivel.

Consideramos o fluido compressvel, ou

seja, massa especfica varivel no tempo,

porm uniforme no espao. Aplicando-se a

Equao da Continuidade temos:

Onde o mdulo de compressibilidade do

fluido.

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13 Mdulo de compressibilidade ()

Onde o mdulo de

compressibilidade isoentrpico

e o mdulo de

compressibilidade isotrmico

O mdulo de compressibulidade sempre positivo, dado

que sempre negativo. Seu valor no constante e

tende a aumentar de forma no-linear com a presso e

diminuir com a temperatura.

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14 Mdulo de compressibilidade efetivo (e)

Variao volumtrica de um

sistema em funo da presso

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15 Converso de Energia

A Converso de Energia em Sistemas Hidrulicos feita

atravs de motores hidrulicos e bombas

Converso de Energia

Bombas hidrodinmicas (no-positivas) e hidrostticas (positivas).

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16 Curvas Caractersticas de Bombas

Bomba centrfuga Bomba Hidrosttica

Em bombas de deslocamento positivo, a vazo pouco influenciada

pela resistncia ao escoamento a jusante.

Em bombas de deslocamento no-positivo, no existe contato direto

entre rotor e carcaa, resultando em vedao inadequada e portanto

grandes variaes na vazo com a diferena de presso.

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17 Converso de Energia

Deslocamento Fixo

-Engrenagens;

-Parafusos

-Palhetas

-Pistes

Deslocamento Varivel:

-Palhetas

-Pistes

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18 Princpio de deslocamento por Engrenagens

Bomba e Motor de Engrenagens Externas

Utilizada em sistemas hidrulicos em geral. So robustas,

adaptveis a grandes variaes de viscosidade, insensveis a

eventuais partculas slidas presentes no fluido, fceis de

montar, entre outras caractersticas

Distribuio de presses

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19 Princpio de deslocamento por Engrenagens

Bombas de Engrenagens internas

Bomba tipo gerotor

Onde:

z = nmero de dentes

b = largura dos dentes

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20 Princpio de deslocamento por Engrenagens

Compensao de foras e vazamentos

Presses elevadas,

pequena pulsao,

rendimento total

elevado e baixo nvel

de rudo.

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21 Princpio de deslocamento por Parafusos

Bomba de Parafusos

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22 Princpio de deslocamento por Palhetas

Bomba de Palhetas

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23 Princpio de deslocamento por Palhetas

Bomba de Palhetas

Bomba Compensada.

Bomba celular de palhetas

consiste em duas cmaras de

suco e duas de descarga

diametralmente opostas

Bomba de palhetas duplas

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24 Princpio de deslocamento por Palhetas

Bomba Celular de Palhetas com deslocamento varivel

Com -e < x < +e

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25 Princpio de deslocamento por Palhetas

Compensao de presso em bomba varivel

Foras de Reao na bomba

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26 Princpio de deslocamento por Pistes

Mquinas de Pistes Radiais

Motor de pistes radiais em estrela, com acesso externo e

articulao interna (sistema Dsterloch)

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27 Princpio de deslocamento por Pistes

Mquinas de Pistes Axiais

Mquinas de prato inclinado Mquinas de eixo inclinado

-Tambor rotativo

-Prato rotativo

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28 Princpio de deslocamento por Pistes

Mquinas de Pistes Radiais

Bomba de pistes radiais com compensao de presso,

acesso interno de fluido e articulao externa dos pistes

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29 Irregularidades em Mquinas Hidrostticas

Comportamento qualitativo

do deslocamento

volumtrico em uma

bomba de pistes de prato

inclinado.

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30 Irregularidades em Mquinas Hidrostticas

3 Pistes 4 Pistes

6 Pistes 7 Pistes

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31 Irregularidades em Mquinas Hidrostticas

Grau de irregularidade em funo

do nmero de pistes e paridade