Exemplo de um sistema hidráulico:

Retroescavadeira

A retroescavadeira é uma máquina que possui todo seu sistema de movimentação de braços e caçambas, utilizando um sistema hidráulico fechado.

O sistema abaixo representa uma parte do sistema hidráulico da máquina, em que estão apresentados os componentes: 01-tanque hidráulico, 02-mangueiras, 03-válvula e 04-cilindro de movimentação da caçamba dianteira da máquina.

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Figura 1: Modelo de Retroescavadeira.

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Figura 2: Parte de um sistema hidráulico de uma retroescavadeira.

O sistema hidráulico representado possui características particulares como peso e pressão suportados pelo cilindro, tipo e comando da válvula de carga e tipo de bomba utilizada e capacidade. Considerando que o sistema hidráulico que será dimensionado nesse trabalho pertence a um sistema já existente, será realizado a comparação com o sistema real.

Dimensionamento do Cilindro:

O sistema hidráulico representado faz parte de uma máquina retroescavadeira para construção civil. O cilindro a ser dimensionado é um cilindro hidráulico do tipo dupla ação conforme mostra a figura abaixo.

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Figura 3: Exemplo de cilindro de dupla ação.

O movimento do cilindro hidráulico, atuador do sistema, é usado para levantar a caçamba da parte de carregadeira da máquina. Portanto a força realizada pelo atuador é variável, pois depende do carregamento da caçamba. Aqui iremos utilizar dois modelos de carregamento que levam em consideração o mínimo de carregamento, ou seja, a caçamba vazia e o máximo de carregamento, determinado pelo fabricante [1].

Peso mínimo da caçamba = 714 kg

Peso máximo da caçamba = 2547 kg

Força exercida pela caçamba:

Força mínima = 7 kN

Força máxima = 25 kN

Considerando que o sistema é de uma máquina de construção civil, e utilizando a pressão do sistema conforme [2]:

Pressão mínima = 100 bar ou 10.000.000 Pa

Pressão máxima = 200 bar ou 20.000.000 Pa

Pelo manual do fabricante [1], a pressão de trabalho do sistema é 22.700 kPa.

Para fazer o dimensionamento do sistema iremos utilizar a média da pressão e da força.

Força média = 16 kN

Pressão média = 15.000 kPa

Cálculo da área: [pic]

A = 0,001067 m2

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R = 0,018429 m

Sendo assim o diâmetro encontrado para o cilindro hidráulico foi igual a: d= 36,9 mm. O diâmetro utilizado pelo fabricante para esse equipamento é de 36 mm, [1]. Como o valor encontrado esta perto do valor fornecido pelo fabricante, a partir deste ponto iremos utilizar as características dadas pelo fabricante.

Diâmetro do cilindro (d) = 36 mm

Curso do cilindro (l) = 1,2 m

Área (A) = 0,001018 m2

Cálculo do volume do pistão:

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V = 0,001221 m2

Para calcular a vazão (Q) do sistema iremos determinar o tempo de atuação do cilindro hidráulico e realizar um comparativo com a vazão real da bomba fornecida pelo fabricante [1].

Capacidade total da bomba: Qt= 132 l/min

Tempo de atuação de 5s:

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Considerando que o sistema total da máquina possui seis atuadores, aqui considerados iguais por finalidade de simplificação, temos:

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Como a vazão esta muito abaixo da vazão total da bomba, foi recalculado a vazão com um tempo de atuação menor.

Tempo de atuação de 3s:

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Considerando o tempo igual a 3s a vazão total se aproximou a vazão total real, mas ainda ficou muito acima do valor nominal para poder ser considerada como vazão do sistema, portanto foi recalculado o tempo de atuação para 3,33s.

Tempo de atuação de 3,33s:

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Determinado o tempo de atuação do cilindro hidráulico, é possível calcular a velocidade de atuação do cilindro, conforme a formula abaixo.

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Com isso o atuador, cilindro hidráulico, já está dimensionado para o sistema hidráulico em estudo, a imagem abaixo está representado o cilindro hidráulico.

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Figura 4: Croqui do cilindro hidráulico projetado.

Agora será feito o dimensionamento da válvula necessária para o controle do sistema.

Dimensionamento da válvula:

Pelo fato de possuirmos um sistema em que a força final, necessária na caçamba, é variável, e consequentemente a pressão também. Portanto é necessário o uso de uma válvula reguladora de pressão. Também se faz necessário a utilização de uma válvula direcional, pois o atuador do sistema é um cilindro hidráulico de dupla ação.

Válvula reguladora de pressão ou redutora de pressão:

Uma válvula redutora de pressão trabalha restringindo o fluxo de fluido através de sua regulagem. Para fazer seu dimensionamento devemos levar em consideração a maior variação de pressão que a válvula ira sofrer. No caso em estudo essa variação é de 100 bar.

No dimensionamento ou escolha da válvula, deve-se calcular primeiramente o valor de coeficiente de fluxo (Kvs) em que a válvula irá trabalhar.

Coeficiente de fluxo (Kv)

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Kv – coeficiente de fluxo (m3/h)

Q – fluxo volumétrico (m3/h)

Р – densidade (kg/m3)

Δp – diferença de pressão (bar)

Densidade média do óleo = 0,90 g/cm3 = 900,0 kg/m3

Q = 1,32 m3/h

Δp = 100 bar

Kv=13,905

Ao valor obtido de Kv é acresentado 30%, para a obtenção do valor final de Kvs para a escolha correta da válvula, conforme [3].

Kvs=18,07

Com o resultado obtido podemos escolher a válvula diâmetro de 25 mm, conforme [4].

Válvula direcional:

Para a utilização desse equipamento, é necessário a utilização de uma válvula por controle mecânico direcional de do fluxo hidráulico. Como o sistema aqui dimensionado é uma sistema simples, mas com uma cilindro de dupla ação, pode-se projetar uma válvula de três posições e 5 vias, considerando:

Posições:

1 – Sistema fechado a passagem do fluido, para manter o cilindro parado na posição desejada.

2 – Fluxo de fluido em uma direção (via), e retorno ao tanque hidráulico da outra direção (via). Cilindro deslocando o embolo para fora.

3 – Retorno do fluido em uma direção (via) ao tanque hidráulico, e fluxo de fluido da outra direção (via). Cilindro retornando o êmbolo.

Número de vias:

2 vias com ligação ao cilindro

2 vias com ligação ao tanque hidráulico

1 via com ligação a bomba hidráulica

O esquema abaixo representa a válvula conforme sua simbologia própria.

O fabricante deste equipamento utiliza válvulas mais complexas e integradas, construídas somente para esse propósito. Abaixo está a especificação de uma válvula encontrada mais próxima a esse sistema com um desenho em corte do seu funcionamento, retirada do catalogo do fabricante [5].

Válvula PGV 32 – Sauer Danfoss

Vazão máxima 130 l/min

Pressão máxima 400 bar

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Figura 5: Exemplo da válvula utilizada no sistema real.

Dimensionamento da bomba hidráulica

Com o dimensionamento do cilindro pronto, é possível escolher a bomba hidráulica a ser utilizada no sistema. Para isso devemos escolher uma bomba que supra as necessidades máximas do sistema, ou seja, a vazão máxima e a pressão máxima do sistema. Portanto a bomba escolhida deve ter as características abaixo:

Vazão (Q) = 22.02 l/min

Pressão (p) = 200 bar

Como o sistema aqui escolhido é parte de um sistema maior, a bomba utilizada no produto real possui características diferentes, pois essa deve suprir uma demanda de vazão muito maior. Abaixo são apresentadas as características da bomba utilizada pelo fabricante.

Capacidade da Bomba (a 2200 rpm) = 132 L/min

Pressão do Sistema = 22700 kPa

Tipo de Bomba Fluxo variável, pistão axial

Devido a pressão e vazão não serem muito altas, é possível utilizar uma bomba menor de um pistão, conforme mostra a figura abaixo.

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Figura 6: Bomba hidráulica de pistão axial. [6]

Referências bibliográficas:

[1] Disponível em: www.brasil.cat.com

[2] Apostila de Sistemas hidráulicos. Calixto, A.

[3] Dimensionamento de válvulas reguladoras de pressão. Mankenberg.

[4] Dimensionamento de válvulas auto operadas tipo "Y". Valloy.

[5] Disponível em: www.Sauer- Danfoss.com

[6] Disponível em: http://www.boschrexroth.com

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