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PROPRIEDADES DOS FLUIDOS HIDRÁULICOS

2.1 Introdução

O material mais importante em um sistema hidráulico é o próprio fluido de trabalho. O fluido

hidráulico tem um efeito crucial no desempenho do sistema de potência e em sua vida útil. Os

fluidos hidráulicos modernos são compostos complexos cuidadosamente preparados e designados

para atender as condições de operação do sistema de potência. Em adição a seu composto básico, o

fluido hidráulico contém aditivo especial para oferecer as características desejadas.

Essencialmente, o fluido hidráulico tem quatro funções básicas:

Transmissão de potência;

Lubrificação das partes móveis;

Selar folgas entre partes acopladas (roscas e flanges), e

Dissipar calor.

Para atender a estas funções primárias de modo seguro e econômico, o fluido hidráulico deve ter

as seguintes propriedades:

Boa lubrificação;

Viscosidade ideal;

Estabilidade química e física;

Compatibilidade com os materiais do sistema;

Alto módulo de elasticidade;

Resistência ao fogo;

Boa capacidade de transferir calor;

Baixa densidade;

Antiespumante;

Não-tóxico;

Baixa volatilidade;

Baixo custo, e

Fácil disponibilidade.

Naturalmente, nenhum fluido hidráulico consegue atingir todos os quesitos desta lista. O

projetista deve selecionar o fluido que mais se aproxima das qualidades ideais para uma aplicação

em particular.

Fluidos hidráulicos devem ser trocados periodicamente, sendo a frequência dependente do tipo

de fluido e das condições de operação. A análise de uma amostra em laboratório é a melhor forma

de determinar quando um fluido deve ser substituído. Em geral, um fluido deve ser trocado quando

sua viscosidade e seu índice de acidez aumentam devido a drenagens ou contaminação.

Preferencialmente, o fluido deve ser trocado em temperatura de operação. Desta forma, a maioria

das impurezas está suspensa e pode ser drenada.

Antigamente, a maior parte do fluido hidráulico era drenada para análise de qualidade. Isto

custava mais do que simplesmente trocar todo o fluido. Na atualidade, existem kits que oferecem

um método rápido e fácil para análise do fluido, sem necessidade de drenagem do mesmo. A

8

análise pode ser feita in loco e três indicadores de qualidade são avaliados: viscosidade, umidade e

nível de contaminação por partículas estranhas.

Neste capítulo, discutiremos as características mais importantes de um fluido hidráulico e seus

efeitos sobre a operação do sistema de potência. Estudaremos também os métodos usados para

medir as várias propriedades do fluido.

2.2 Fluidos: líquidos e gases

A palavra fluido refere-se a líquido e gases. Um líquido é um fluido que, independente da forma

do recipiente que o contém, ele mantém o seu volume constante.

Os líquidos são admitidos incompressíveis tal que o seu volume não se modifica com o aumento

da pressão. Isto não é exatamente verdadeiro, mas para a maioria das aplicações em engenharia esta

hipótese é válida. Variações desta hipótese serão discutidas na seção 2.7, onde o módulo de

elasticidade de um fluido é definido.

Gases são fluidos compressíveis que assumem o formato do recipiente que o contém,

preenchendo todo o seu volume.

O ar é o gás geralmente usado em sistemas de potência devido ao seu baixo custo e a sua

disponibilidade. As vantagens do ar sobre o fluido hidráulico são:

É resistente ao fogo;

Não se contamina facilmente, e

Pode ser descarregado na atmosfera.

Suas desvantagens são:

Devido à sua compressibilidade, não pode ser usado em sistemas que requerem uma posição ou

uma fixação precisa do atuador, além de causar flutuações na linha;

Pode ser corrosivo, se apresentar alto teor de umidade;

Normalmente, deve-se adicionar um lubrificante para lubrificar válvulas e atuadores, e

Altas pressões não podem ser usadas devido a riscos de explosões se os componentes, tais

como o reservatório de ar, sofrerem rupturas.

2.3 Peso específico, densidade e gravidade específica

Todo corpo sólido ou fluido é atraído para o centro da terra devido à gravidade. Esta força de

atração é denominada gravitacional ou força peso Fg, sendo proporcional à massa m e a aceleração

local da gravidade g. Considerando que = 1 m3 de água contém m = 1000 kg, podemos

estabelecer o conceito de peso específico da seguinte forma:

F mgg (2.1)

A maioria dos óleos tem um peso específico de 8800 N/m3 (56 lbf/ft3), com variação de 8643

N/m3 (55 lbf/ft3) a 9113 N/m3 (58 lbf/ft3). A densidade é definida como a massa do fluido por

unidade de volume, ou seja:

9

m

g

(2.2)

A densidade pode ser dada em [kg/m3] ou [lbm/m3]. Logo, água = 1000 kg/m3. A gravidade

específica de um fluido é definida como sendo a densidade deste fluido dividida pela densidade da

água. Assim a gravidade específica de um óleo comum pode ser dada por:

Sg

gg

oleo

agua

oleo

aguaoleo

= 0,897

(2.3)

2.4 Pressão, perda de carga e força

O conceito de pressão deve ser minuciosamente apresentado com o objetivo de entender

claramente os circuitos de potência. Nestes sistemas, a pressão é transmitida igualmente em todas

as direções. A pressão é definida como a força por unidade de área. Portanto, pressão é a

intensidade de uma força agindo sobre uma área unitária, ou seja:

PF

A

(2.4)

Considerando o sistema de medidas SI e o inglês, a pressão pode ser dada em [Pa] ou [N/m2],

[lbf/ft2] ou [psf] (pound per square foot) e [lbf/in2] ou [psi] (pound per square inch). Nas CNTP, a

pressão atmosférica é igual a 10,33 mCA, ou 760 mmHg, ou 101,3 kPa ou 14,7 psi. Logo, a pressão

exercida pelo ar presente em nossa atmosfera sobre o solo terrestre equivale a 10,33 m de coluna de

água. Nós podemos concluir que 0,3048 mCA ou 1 ftCA a nível do mar desenvolve em sua base

uma pressão de 9,806 kPa ou 0,433 psi. A altura de 0,3048 mCA é freqüentemente chamada de

pressure head.

Observando atentamente, podemos afirmar que a pressão sobre a base de qualquer coluna de

líquido independe da área da base, dependendo somente da altura da coluna H e da gravidade

especifica do fluido. A razão é simples: mudando a área da base da coluna a força atuante (força-

peso) muda na mesma proporção, fazendo com que a pressão permaneça a mesma. Assim, das Eqs.

(2.1), (2.3) e (2.4), temos:

P H (2.5)

A expressão acima é uma ferramenta útil para calcularmos a pressão na base de qualquer coluna

de líquido se a gravidade específica é conhecida, pois:

P HSg 9 806, [kPa] ou P HSg 0 433, [psi] (2.6)

Em relação à pressão exercida pela atmosfera (coluna de ar) sobre a terra devido à força

gravitacional, as eqs. (2.5) ou (2.6) não podem ser utilizadas para determiná-la, visto que a

densidade do ar varia com a altura. Ela é maior na superfície terrestre e vai diminuindo com o

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aumento da altura. Como visto anteriormente, a coluna de ar pesa 14,7 lb ao nível do mar e,

portanto produz uma pressão de 14,7 psi, chamada de pressão atmosférica. Porque então se

instalarmos um manômetro para ler a pressão em um pneu totalmente vazio ele marcará zero e não

14,7 psi. A resposta esta no fato de que a pressão lida é relativa e não absoluta. Pressões relativas

são medidas relativamente à pressão atmosférica, enquanto pressões absolutas são medidas

relativamente ao vácuo perfeito. Para distinção, as pressões relativas são rotuladas como psig ou

simplesmente psi, enquanto pressões absolutas são apresentadas como psia. Logo, 1 atm = 14,7 psia

= 0,0 psig.

A pressão atmosférica é sempre absoluta e deve ser medida com um dispositivo chamado

barômetro. A Fig. 2.1 mostra como o barômetro de mercúrio trabalha. A pressão atmosférica a ser

medida a nível do mar pode suportar uma coluna de mercúrio igual a 720 mmHg ou 29,92 inHg

porque esta altura produz uma pressão de 1 atm ou 14,7 psi. Isto pode ser checado usando a Eq.

(2.6):

P = 9,806HSg 101,3 = 9,806H(13,6) H = 760 mmHg

Figura 2.1 Princípio físico de operação de um barômetro com mercúrio.

O uso de água em um barômetro seria impraticável porque seria necessária uma altura de 10,33

m para produzir 1 atm em sua base. Obviamente, a pressão atmosférica muda dependendo da

elevação da superfície em particular em relação ao nível do mar e das condições climáticas, as

quais afetam a densidade do ar.

É bom notar que pressões relativas negativas (vácuo) podem existir em certos pontos do circuito

de potência, por exemplo, na linha de sucção da bomba. Portanto, é importante compreender o

significado de pressão abaixo da atmosférica. Uma maneira de gerar vácuo é bombear algum fluido

a partir de um reservatório fechado com pressão inicial igual à atmosférica.

2.5 O sistema métrico internacional SI

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O sistema SI foi padronizado em junho de 1960 pela International Organization for

Standardization. Este sistema tem substituído o antigo sistema métrico CGS (centímetro-grama-

segundo). No sistema SI, as unidades são:

comprimento: [m] massa: [kg] força [N]

tempo: [s] temperatura: [oC]

Em relação à escala de temperatura, a conversão de oC para oF pode ser feita da seguinte forma: oC = (oF - 32)/1,8. Os seguintes prefixos são usados no sistema SI para representar potência de 10:

Nome SI símbolo Fator de multiplicação

giga G 109

mega M 106

kilo k 103

centi c 10-2

mili m 10-3

micro 10-6

nano n 10-9

2.6 Lei de Pascal

A Lei de Pascal revela o princípio básico de como os fluidos transmitem potência. Ela

estabelece que a pressão aplicada a um fluido confinado é transmitida de maneira constante em

todas as direções. Isto indica que um reservatório completamente cheio de líquido pode romper se

nele é inserido um êmbolo, conforme ilustrado na Fig. 2.2.

Figura 2.2 Demonstração da lei de Pascal.

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Uma questão interessante que surge relativa à lei de Pascal é: um circuito de potência produz

mais energia do que recebe? Como sabemos, da Lei da Termodinâmica da Conservação da Energia,

um sistema não pode criar energia. Para responder esta questão, vamos analisar a prensa hidráulica

mostrada na Fig. 2.3.

Figura 2.3 Operação de uma prensa hidráulica.

Como mostrado, a força vertical descendente F1 é aplicada ao pistão menor 1, o qual tem área da

base igual a A1. Isto produz uma pressão no óleo P1 na base do pistão 1. Esta pressão é transmitida

através do óleo a um pistão maior 2 com área da base igual a A2. A pressão P2 empurra o pistão 2 e

cria uma força vertical ascendente F2. Pela lei de Pascal, P1 = P2. Visto que a pressão é igual à força

dividida pela área, nós temos:

F

F

A

A

2

1

2

1

(2.7)

Portanto, a força de amplificação ocorre da entrada para a saída da prensa se a área da base do

pistão de saída 2 é maior que a do pistão de entrada 1. Contudo, nós mostraremos agora que o

deslocamento S2 do pistão 2 é diferente do deslocamento S1 do pistão 1. A razão de movimento

entre os pistões pode ser determinada admitindo que o óleo é incompressível. Logo, o volume de

óleo deslocado pelo pistão 1 é igual ao deslocado pelo pistão 2. Assim,

1 2 A S A S1 1 2 2 F S F S1 1 2 2 (2.8)

A expressão mostra que o pistão maior 2 se desloca a uma distância menor que o pistão menor

1. Agora, relembrando que trabalho ou energia pode ser definido como força vezes deslocamento,

podemos concluir que a prensa hidráulica satisfaz a lei da conservação de energia. É importante

notar que em sistemas de potência, a fricção entre os pistões e os cilindros causa perda de energia.

Isto implica em uma diminuição da energia disponível para a realização do trabalho em relação à

energia fornecida ao sistema. Esta perda de energia será levada em conta quando a equação de

Bernoulli for usada para dimensionar circuitos hidráulicos.

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2.7 Módulo de elasticidade

A razão peso/potência altamente favorável e a rigidez de sistemas hidráulicos fazem deles uma

escolha freqüente para a maioria das aplicações industriais. A rigidez de um sistema hidráulico está

diretamente relacionada com a incompressibilidade do fluido. O módulo de elasticidade é a

medida desta incompressibilidade. Um alto módulo significa menor compressibilidade e maior

rigidez do fluido. Matematicamente, podemos definir o módulo de elasticidade da seguinte

maneira:

P

/

(2.9)

onde P é a variação da pressão, é a variação no volume e é o volume original. O sinal de

menos leva em conta o fato que quando a pressão aumenta, o volume decresce.

O módulo de elasticidade de um óleo se altera com a pressão e a temperatura, mas este fator

pode ser desprezado dentro das faixas de operação usuais da maioria de sistemas de potência. Um

típico valor para o óleo é 250000 psi ou 17010 atm.

2.8 Viscosidade e índice de viscosidade

A viscosidade é provavelmente a propriedade mais importante de um fluido hidráulico. Ela é a

medida da resistência interna que o fluido oferece ao escoamento. Quando a viscosidade é baixa, o

fluido escoa facilmente porque é menos espesso. Um fluido que se move lentamente tem uma alta

viscosidade e aparenta ser bastante espesso. Na realidade, a viscosidade ideal para um dado sistema

hidráulico é um compromisso com as condições de operação requeridas. Altas viscosidades

resultam em:

Alta resistência ao fluxo, o que provoca operações lentas;

Aumento do consumo de potência devido à maior fricção interna;

Aumento na queda de pressão em válvulas e tubulações, e

Altas temperaturas causadas por fricção.

Por outro lado, se a viscosidade é muito baixa, isto resulta em:

Aumento das perdas por vazamentos nas conexões e selos, e

Excessivo desgaste devido à “quebra” do filme lubrificante de óleo aderido as partes móveis,

como o rotor da bomba e mesmo válvulas com elementos deslizantes.

O conceito de viscosidade pode ser compreendido examinando duas placas paralelas separadas

por um filme de óleo de espessura y, como ilustrado na Fig. 2.4.

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Figura 2.4 Perfil de velocidade do fluido entre duas placas paralelas devido à viscosidade.

A placa inferior é estacionária, enquanto a placa superior move-se com velocidade V como se

estivesse sendo puxada por uma força F, como mostrado. Devido à viscosidade, o óleo adere a

ambas as superfícies. Portanto, a velocidade da camada de fluido em contato com a placa inferior é

zero, e a velocidade da camada em contato com a placa superior é V. A conseqüência disto é a

variação linear do perfil de velocidade cuja inclinação é V/y. A viscosidade absoluta ou dinâmica

do óleo pode então ser representada matematicamente por:

V y

F A

V y/

/

/

tensao cizalhante no oleo

inclinacao do perfil de velocidade

(2.10)

onde A é a área da superfície da placa superior móvel. A tensão cisalhante produzida pela força F

causa um deslizamento entre as camadas adjacentes de fluido.

Verificando as unidades, a unidade de é [lbf.s/ft2] ou [N.s/m2]. Uma viscosidade de 1

[lbf.s/in2] é conhecida como 1 [reyn]. Expressando a viscosidade dinâmica em termos do sistema

CGS, temos [dyne.s/cm2], onde 1 dyne é a força que move 1 g de fluido com uma aceleração de 1

cm/s2. A viscosidade de 1 dyne.s/cm2 corresponde a 1 [poise]. Comparativamente, as unidades reyn

e poise expressam valores muito elevados. Unidades mais convenientes e usuais são cP (centipoise)

e microreyn.

Cálculos para dimensionamento de sistemas hidráulicos freqüentemente o uso de viscosidade

cinemática ao invés do emprego de viscosidade dinâmica. Definindo, a viscosidade cinemática é

igual à viscosidade dinâmica dividida pela densidade :

(2.11)

As unidades de são [ft2/s] ou [m2/s]. A viscosidade de 1 cm2/s é chamada de 1 stoke. Existe

também a unidade [newts] que é igual a 0,00155 [cS].

Usualmente, emprega-se o viscosímetro Saybolt para determinar a viscosidade de um fluido,

conforme mostrado na Fig. 2.5. Basicamente, este dispositivo consiste de uma câmara interna

contendo a amostra de óleo a ser testada. Um compartimento externo separado, que circunda a

câmara interna, contém uma quantidade de óleo cuja temperatura é controlada por um termostato e

um aquecedor elétrico. No centro da base da câmara interna, há um orifício padrão. Quando a

amostra de óleo atinge a temperatura desejada, registra-se o tempo para o óleo atravessar o orifício

padrão e preencher um reservatório de 60 cm3. O tempo, medido em segundos, é a viscosidade do

óleo em uma unidade oficial chamadas SUS - Saybolt Universal Seconds.

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A relação existente entre 1 SUS e 1 cS (centiStoke) é dada pela seguinte expressão empírica:

( ) ,

( ) ,

cS tt

cS tt

0 226195

0 220135

para t 100 SUS

para t > 100 SUS(2.12)

Da eq. (2.11), podemos expressar a viscosidade cinemática como:

( )( )

cScP

Sg

(2.13)

Como a gravidade específica da maioria dos fluidos hidráulicos é igual a 0,9, a eq. (2.13) reduz-

se a:

( )( )

,cS

cP

0 9

(2.14)

Um método rápido de determinar a viscosidade cinemática de fluidos em cS é mostrado na Fig.

2.6. Este teste mede o tempo que uma determinada quantidade de óleo demora a escoar por

gravidade através de um tubo capilar em uma temperatura constante. Este tempo em segundos é

então multiplicado pela constante de calibração do viscosímetro para obter a viscosidade

cinemática da amostra em cS. A viscosidade absoluta pode então ser calculada aplicando a eq.

(2.13).

A viscosidade do óleo varia com a temperatura. Portanto, ela deve ser medida a uma

temperatura específica. Para a maioria das aplicações em circuitos hidráulicos, a viscosidade

normalmente é igual a 101 SUS em 100 oF. Existe uma regra geral de que a viscosidade de um óleo

nunca deve cair abaixo de 50 SUS ou elevar-se acima de 4000 SUS independente da temperatura.

Em temperatura extrema, o fluido deve possuir alto índice de viscosidade.

Índice de viscosidade (VI) é a medida relativa de uma variação na viscosidade de um óleo com

respeito à variação de temperatura. Um óleo tem um baixo VI quando apresenta largas variações de

com a temperatura. Um óleo com alto VI é aquele que tem uma viscosidade relativamente

estável, a qual não varia apreciavelmente com a temperatura. A escala original de VI varia de 0 a

100, do pior para o melhor índice. Atualmente, com as evoluções das técnicas de refino e dos

aditivos químicos, existem óleos com valores para VI bem acima de 100. O VI de qualquer fluido

hidráulico pode ser encontrado usando:

VIL U

L H

100

(2.15)

onde L é a viscosidade em SUS de um óleo com VI = 0 em 100 oF;

U é a viscosidade em SUS de um óleo desconhecido em 100 oF;

H é a viscosidade em SUS de um óleo com VI = 100 em 100 oF.

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O VI de um óleo desconhecido é então determinado a partir de testes. Os óleos de referência são

selecionados de modo a possuírem a mesma viscosidade em 210 oF que o óleo desconhecido. As

viscosidades dos três óleos são então medidas em 100 oF para fornecer os valores de L, H e U. Uma

outra característica relativa à viscosidade é chamada de ponto de fluidez, o qual é a temperatura

mínima necessária para o óleo escoar. Esta é uma propriedade muito importante para especificar

óleos para sistemas hidráulicos que operam a baixas temperaturas. Como uma regra geral, o ponto

de fluidez deve ser no mínimo 20 oF abaixo da menor temperatura na qual irá operar o sistema.

2.9 Prevenção à oxidação e a corrosão

A oxidação, causada pela reação química do oxigênio a partir do ar com as partículas de óleo,

pode reduzir seriamente a vida útil de um fluido hidráulico. Óleos derivados de petróleo são

especialmente susceptíveis a oxidação porque o oxigênio se une facilmente as moléculas de

carbono e hidrogênio. A maioria dos produtos da oxidação é solúvel em óleo e é ácida em sua

natureza, a qual pode causar corrosão de partes do sistema. Os produtos da oxidação incluem

resinas, colas e vernizes, que tendem a aumentar a viscosidade do óleo.

Existe um número de parâmetros que aceleram a taxa de oxidação uma vez que ela inicia-se.

Incluído entre eles estão calor, pressão, contaminantes, umidade e superfícies metálicas. Contudo, a

oxidação é mais rigorosamente afetada pela temperatura. A taxa de oxidação é muito baixa abaixo

de 140 oF, mas duplica a cada aumento de 20 oF de temperatura. Aditivos são incorporados em

muitos óleos hidráulicos para inibir a oxidação. Uma vez que isto aumenta o custo, eles devem ser

especificados somente se necessário, dependendo da temperatura e outras condições ambientes.

Ferrugem e corrosão são dois fenômenos diferentes, embora ambos contaminem o sistema e

provoquem desgaste. Ferrugem é a reação química entre o aço ou ferro e o oxigênio. A presença de

umidade no sistema hidráulico oferece o oxigênio necessário. Uma fonte primária de umidade é o

ar atmosférico, o qual penetra o reservatório através da tampa do respiro.

Corrosão, por outro lado, é a reação química entre um metal e um ácido. O resultado da

ferrugem ou corrosão é a diminuição das superfícies metálicas dos componentes hidráulicos. Isto

pode causar excessivo enfraquecimento próximo a selagem das partes afetadas. Ferrugem e

corrosão causada por ácidos podem ser minimizadas incorporando aditivos que aderem à superfície

metálica prevenindo reações químicas.

O procedimento experimental para realizar o teste de inibição de oxidação do óleo é descrito

como segue: 300 ml de amostra de óleo é colocada em um tubo e imersa em um banho de óleo a 95 oC. Três litros por hora de oxigênio são fornecidos para passar continuamente pela amostra por um

período de 1000-4000 h. A acidez do óleo é então medida determinando o número de neutralização,

como será discutido na seção 2.13.

O procedimento de teste para determinar a capacidade do óleo de prevenir ferrugem durante a

lubrificação e partes ferrosas na presença de água é descrito como segue: Um eixo de aço é

colocado em um béquer com óleo e água a 140 oF por 24 h, e a quantidade de ferrugem é reportada

como leve, moderada, ou severa.

2.10 Fluidos resistentes ao fogo

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É imperativo que um fluido hidráulico não inicie ou alimente um incêndio. A maioria dos

fluidos hidráulicos, entretanto, queimarão sob certas condições. Existem muitas aplicações de risco

as quais requerem, para a segurança do operador, o uso de um fluido resistente ao fogo. Exemplos

incluem minas de carvão, equipamentos de processamento de metais aquecidos, aviação e sistemas

de potência marítimos.

Um fluido resistente ao fogo é aquele que pode se inflamar, mas não manter a queima quando a

fonte de ignição da chama é removida. Flamabilidade é definida como a facilidade de ignição e a

capacidade de propagar a chama. As características usuais testadas para determinar a flamabilidade

de um fluido hidráulico são as seguintes:

Ponto de ignição: é a temperatura na qual a película de óleo libera vapores o suficiente para

entrar em combustão quando uma chama é passada sobre ela.

Ponto de queima: a temperatura na qual o óleo liberará vapor suficiente para suportar a

combustão continuamente por cinco segundos quando uma chama é passada sobre sua

superfície.

Temperatura de ignição autogênea (IAT): a temperatura na qual a ignição ocorre

espontaneamente.

Fluidos resistentes ao fogo têm sido desenvolvidos para reduzir incêndios de risco. Existem

basicamente quatro tipos diferentes de fluidos hidráulicos resistentes ao fogo em uso comum:

Soluções água-glicol: este tipo consiste de uma solução de aproximadamente 40% de água e

60% de glicol. Estas soluções têm alto índice de viscosidade, mas a viscosidade aumenta

quando a água evapora. A faixa de operação varia de -10 oF a 180 oF. A maioria dos novos

materiais de selagem sintética é compatível com soluções de água-glicol. Contudo, metais como

o zinco, cádmio e magnésio reagem com as soluções de água-glicol e não devem ser usados.

Em adição, tintas especiais devem ser usadas.

Emulsões água-óleo: este tipo consiste de aproximadamente 40% de água completamente

dispersa em uma base de óleo especial. Ele é caracterizado por pequenas gotas de água

completamente rodeadas por óleo. Esta água oferece uma boa propriedade refrigerante, mas

tende a tornar o fluido mais corrosivo. Portanto, uma grande quantidade de aditivo inibidor de

corrosão é necessária. As temperaturas de operação variam de -20 a 175 oF. Como no caso das

soluções descritas no item anterior, é necessário evitar a evaporação da água para manter a

viscosidade adequada. Emulsões água-óleo são compatíveis com a maioria dos materiais de

selagem feitos de borracha derivada do petróleo, encontrados em sistemas de potência.

Sintéticos: este tipo é quimicamente formulado para inibir a combustão e em geral tem a mais

alta temperatura de resistência ao fogo. Fluidos típicos inseridos nesta categoria são os ésteres

fosfatos ou hidrocarbonetos clorados. As desvantagens dos sintéticos incluem baixo índice de

viscosidade, incompatibilidade com a maioria dos materiais de selagem feitos de borracha

natural ou sintética e alto custo. Em particular, os ésteres fosfatos dissolvem tintas,

componentes da tubulação e isolantes elétricos.

Fluidos com alto teor de água: este tipo consiste de aproximadamente 90% de água e 10% de

concentrado, que consiste de aditivos fluidos que melhoram a viscosidade, o poder de

lubrificação, protegem contra ferrugem e contra o aumento de bactérias. Vantagens deste tipo

de fluido inclui alta resistência ao fogo e alto poder de resfriamento a baixo custo, o qual é

aproximadamente 20% do custo de fluidos hidráulicos com base mineral. Temperatura máxima

de operação deve ser mantida em 120 oF para minimizar a evaporação. Devido à densidade mais

alta e a viscosidade mais baixa quando comparado a fluidos com base mineral, o duto de

18

entrada da bomba deve ser dimensionado para manter a velocidade do fluido baixa o suficiente

para prevenir a formação de bolhas de vapor, as quais causam cavitação. Fluidos com alto teor

de água são compatíveis com a maioria dos materiais de selagem de borracha, mas couro, papel

ou materiais de cortiça não devem ser usados visto que eles tendem a deteriorar-se com água.

2.11 Fluidos antiespumantes

O ar pode dissolver-se ou ser arrastado nos fluidos hidráulicos. Por exemplo, se a linha de

retorno para o reservatório não é submersa, o jato de óleo entrando na superfície líquida pode

arrastar ar. Isto causa a formação de bolhas de ar no óleo. Se estas bolhas elevam-se a superfície

muito vagarosamente, elas serão drenadas até a entrada da bomba e provocarão cavitação, como

será discutido no Capítulo 6.

De um modo similar, um pequeno vazamento na linha de sucção pode causar o arraste de

grandes quantidades de ar proveniente da atmosfera. Este tipo de vazamento é difícil de detectar.

Outro efeito adverso do arraste do ar é a grande redução no módulo de elasticidade do fluido

hidráulico. Isto pode ter sérias conseqüências em termos de precisão e rigidez dos atuadores

hidráulicos.

A quantidade de ar dissolvido pode ser grandemente reduzida projetando propriamente o

reservatório, visto que é por onde a maior parte do ar é absorvida.

Um outro método é usar fluido hidráulico de grau-prêmio que contém aditivos antiespumantes.

Estes aditivos são compostos químicos, os quais separam rapidamente o ar do óleo enquanto ele

está no reservatório.

2.12 Capacidade lubrificante

Fluidos hidráulicos devem ter boa capacidade lubrificante para prevenir desgaste entre as partes

móveis e fixas. Contato direto metal-metal é evitado pelo filme de fluido com viscosidade

adequada, como mostrado na Fig. 2.5. Partes hidráulicas que são afetadas incluem rotores de

bombas, carretéis de válvulas, anéis dos pistões e rolamentos de eixos.

19

Figura 2.5 Filme lubrificante prevenindo contato metal-metal.

Desgaste é a remoção de material de uma superfície devido à ação de uma força de fricção entre

duas superfícies adjacentes. Isto pode resultar em uma variação dimensional, a qual pode levar a

folgas e subsequente operação imprópria do circuito.

A força de fricção F é a força paralela a duas superfícies adjacentes que possuem deslizamento

relativo. Esta força de fricção atua no sentido oposto ao movimento. Quanto maior F, maior será o

desgaste e o calor gerado. Isto, por sua vez, resulta em perda de potência e redução na vida útil do

circuito, os quais aumentam o custo de manutenção.

Por definição, F é proporcional a força normal N que atua sobre as duas superfícies. A constante

de proporcionalidade f é chamada de coeficiente de fricção:

F = f N (2.16)

Portanto, quanto maior o valor do coeficiente de fricção e a força normal, maior será a força

friccional e como conseqüência o desgaste. A grandeza da força normal depende da quantidade de

potência sendo transmitida e, portanto é independente das propriedades do fluido hidráulico.

Contudo, o coeficiente de fricção depende da capacidade do fluido de prevenir o contato metal-

metal entre as superfícies. A eq. (2.16) pode ser rescrita para determinar o coeficiente de fricção,

que é um parâmetro adimensional:

f = F/N (2.17)

Pode ser visto agora que f pode ser determinado experimentalmente para fornecer uma indicação

das propriedades antidesgaste do fluido se F e N puderem ser medidas. Tal teste é feito pelo

equipamento de desgaste de quatro esferas. Este dispositivo exerce uma força vertical através de

uma esfera de aço rotativa e mede o coeficiente de fricção e o material retirado de três esferas

estacionárias. O dispositivo roda a quarta esfera (sob carga, velocidade e temperatura

especificadas) contra as três esferas de aço estacionárias usando um lubrificante. Após o teste, o

coeficiente de fricção é calculado usando a seguinte equação:

USF - UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO CCET - Centro de Ciências Exatas e Tecnologia

Campus Itatiba

CIRCUITOS DE POTÊNCIA HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS

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f = 2,83F/L x r/s (2.18)

onde s = diâmetro de cada esfera de aço, cm;

L = carga total aplicada sobre as esferas de aço, g;

F = força agindo no braço de torque, gf; e

r = comprimento do braço de torque, cm.

Valores típicos do coeficiente de fricção para fluidos hidráulicos variam de 0,003 a 0,06.

Características antidesgaste do fluido podem ser posteriormente determinadas medindo as áreas de

desgaste formadas sobre as três esferas estacionárias. Isto é feito normalmente após 1 h de teste.

Outro teste antidesgaste é conduzido usando uma bomba hidráulica tipo voluta. O tanque é

preenchido com 3,5 galões de uma amostra de fluido hidráulico. Após início, a pressão é

vagarosamente elevada a 1000 psi ajustando a válvula de alívio. O teste é então realizado em uma

temperatura especificada e durante um certo tempo. Durante o teste, checagens periódicas são

feitas para a viscosidade, coloração e número de neutralização. Na conclusão do teste, o fluido é

removido para análise final. As partes da bomba e do filtro são mesadas e inspecionadas. Este teste

mede as condições encontradas pela bomba em operação real.

2.13 Número de neutralização

O número de neutralização é a medida da acidez relativa ou alcalinidade de um fluido hidráulico

e é especificado pelo fator de pH. Um fluido tendo um pequeno número de neutralização é

recomendado porque alta acidez ou alcalinidade causa corrosão de partes metálicas bem como a

deterioração de componentes de selagem.

Para um fluido ácido, o número de neutralização é igual ao número de miligramas (mg) de

hidróxido de potássio necessário para neutralizar o ácido em 1 g de amostra do fluido. No caso de

um fluido alcalino (básico), o número de neutralização é igual à quantidade de ácido

hidroclorídrico alcoólico (expresso como um número equivalente à quantidade em miligramas de

potássio) que é necessária para neutralizar os álcalis em 1 g de amostra do fluido hidráulico.

Fluidos hidráulicos normalmente tornam-se mais ácidos do que básicos durante o uso.

Para um fluido ácido, o procedimento de teste para determinar o número de neutralização é

descrito como segue:

A amostra de óleo é colocada em uma solução titulante de tolueno, água destilada, álcool e um

agente indicador, o naftolbenzeno, o qual muda de cor de laranja para verde quando a

neutralização ocorre;

Uma solução de hidróxido de potássio alcoólico é adicionada a partir de uma bureta graduada,

uma gota a cada vez, até que a solução mude de cor de laranja para verde;

Após cada gota do hidróxido de potássio alcoólico ser adicionada, a solução é agitada;

O número de neutralização ocorre quando a agitação causa a mudança de cor por, no mínimo,

15 segundos.

O número de neutralização é então calculado usando a seguinte fórmula:

Número de neutralização = [total em ml da solução titulante x 5,61] / [massa da amostra usada]

21

Fluidos hidráulicos que tem sido tratados com aditivos para inibir a formação de ácidos são

usualmente capazes de manter este número em um valor baixo, entre 0,0 e 0,1.

2.14 Tipos gerais de fluido

A primeira maior categoria de fluidos hidráulicos é o de base mineral (petróleo), o qual é o mais

largamente empregado. Se o óleo cru é refinado com qualidade, ele geralmente é satisfatório para

serviços leves. Contudo, aditivos devem ser incluídos para atingir os requerimentos de boa

lubrificação, alto índice de viscosidade e resistência à oxidação. A maioria das propriedades

desejáveis, se já não estão presentes no óleo mineral, podem ser obtidas pela adição de fluidos

aditivos.

A desvantagem primária de um fluido com base mineral é que ele é inflamável. Com resultado,

uma segunda categoria de fluidos tem sido desenvolvida: os fluidos resistentes ao fogo. Isto reduz

grandemente o risco de incêndio. Contudo, fluidos resistentes ao fogo geralmente tem uma

gravidade específica maior que os fluidos com base mineral. Isto pode causar problemas de

cavitação na bomba devido ao excesso de pressão de sucção na entrada a menos que um projeto

mais elaborado seja implementado. Também, a maioria dos fluidos resistente ao fogo é mais caro e

tem maior problema de incompatibilidade com a selagem do sistema. Portanto, fluidos resistentes

ao fogo deverão ser usados somente se condições operacionais de risco existem. Recomendações

do fabricante deverão ser seguidas muito cuidadosamente quando ocorrer mudança de um fluido

com base mineral para um fluido resistente ao fogo e vice-versa. Normalmente, rigorosa drenagem,

limpeza e lavagem são requeridas. Em alguns casos, é necessária a mudança de selos e gaxetas de

alguns componentes do circuito.

Uma terceira categoria é o convencional óleo para motores (engine-oil) tipo MS (operação

severa), o qual oferece aumento de vida útil do sistema hidráulico devido ao melhor poder

lubrificante. Isto é devido aos aditivos antidesgaste usados para prevenir o desgaste em cames e

válvulas. Este aumento de lubrificação também oferece resistência ao desgaste em bombas e

válvulas.

A quarta e última categoria de fluido é o ar, componente usado comumente em circuitos

pneumáticos. A razão é que o ar é barato e facilmente disponível. Uma das vantagens significantes

do ar é que ele não é inflamável. O ar pode ser limpo facilmente pelo uso de filtros, e qualquer

vazamento não é nocivo. O ar pode também ser um bom lubrificante pela introdução de uma fina

névoa de óleo por um lubrificador. Também, o uso de ar elimina a linha de retorno visto que o ar

utilizado para mover os atuadores é descarregado na atmosfera. Desvantagens do ar incluem sua

compressibilidade e subsequente flutuações de pressão e falta de rigidez. Finalmente, o ar pode ser

corrosivo visto que ele contém oxigênio e água. Contudo, a maior parte da água pode ser removida

pelo uso de desumidificadores.

Em resumo, o mais importante material em um circuito de potência é o fluido de trabalho.

Nenhum fluido sozinho possui todas as características ideais desejadas. O especificador do fluido

de trabalho deve selecionar o fluido que mais se aproxima das características requeridas para

operar em uma determinada aplicação. Somente se o risco de incêndio estiver presente é que

devemos usar um fluido resistente ao fogo. O fluido mais caro não é necessariamente o melhor para

aquele uso específico.

22

2.15 Manutenção e disposição de fluidos hidráulicos

O controle da poluição e a conservação de fontes naturais são importantes metas para atingir

benefícios para a sociedade. Portanto, é importante minimizar a geração de fluidos hidráulicos

inativos e dispô-los de um modo ambientalmente aceitável. Estes resultados podem ser

acompanhados pela implementação de controle de fluidos e programas de manutenção preventiva

seguidos de procedimentos de disposição de fluidos hidráulicos adequados. As seguintes

recomendações devem ser consideradas para a manutenção e a disposição adequada de fluidos

hidráulicos:

Selecionar um fluido ótimo para a aplicação envolvida. Isto inclui considerações sobre a

pressão e a temperatura de operação do sistema, bem como as desejadas propriedades do fluido,

como gravidade específica, viscosidade, lubrificação, resistência à oxidação e módulo de

elasticidade;

Utilizar um sistema de filtração bem projetado para redução da contaminação e aumento da

vida útil do fluido. A filtração deve ser contínua, e filtros devem ser trocados em intervalos

regulares;

Seguir procedimentos adequados de armazenagem dos fluidos hidráulicos. Por exemplo,

armazenagem em locais abertos não é recomendável, especialmente se o fluido estiver em

tambores, pois seus rótulos podem ficar ilegíveis pela ação do tempo. Adicionalmente, os

tambores podem sofrer expansão e contração, levando ao vazamento do fluido e a

contaminação. Armazenagem em locais fechados incluem prateleiras para oferecer proteção

adequada dos tambores contra danos acidentais. Tanques usados para a armazenagem devem

ser bem construídos com placas de aço, empregando rebites ou costuras de solda;

O transporte de fluidos a partir dos containers de armazenagem para os sistemas hidráulicos

deve ser feito cuidadosamente, visto que as chances de contaminação aumentam grandemente

com o manuseio. Qualquer container de transferência usado para transportar o fluido dos

tambores para os sistemas hidráulicos deve ser rotulado claramente. Estes containers deverão

ser cobertos quando não estiverem em uso e retornados a área de estocagem de fluido após o

uso para prevenir contaminação com outros produtos;

Os fluidos em operação devem ser checados regularmente com medidas da viscosidade, da

acidez, do módulo de elasticidade, da gravidade específica, do teor de umidade, da coloração,

do nível de aditivos, da concentração de partículas metálicas e da contaminação por partículas

estranhas;

O sistema hidráulico inteiro, incluindo bombas, tubulação, conexões, válvulas, solenóides,

filtros, atuadores e o reservatório, deve sofrer manutenção de acordo com as especificações do

fabricante;

Ações corretivas devem ser tomadas para reduzir ou eliminar vazamentos no circuito.

Tipicamente, vazamentos ocorrem devido à fadiga dos selos ou conexões. Um programa de

manutenção preventiva deve ser implementado para checar selos, conexões e outros

equipamentos e condições de operação que podem ocasionar vazamentos, em intervalos

regulares;

A disposição dos fluidos deve ser feita propriamente, porque o fluido hidráulico é considerado

um material inativo quando tem sua vida útil encerrada. Existem regulamentações que impedem

23

a prática de misturar solventes com fluidos hidráulicos inativos. Também não é permitido

queimá-lo em caldeiras não-industriais. Um caminho aceitável para a disposição de fluido é

utilizar uma companhia que possui licença para manusear e dispor de fluidos hidráulicos.

O controle da poluição e a conservação de recursos naturais são questões ambientais críticas

para a sociedade. Manutenção e disposição adequadas de fluidos hidráulicos representam um custo

efetivo, mas devem ser realizadas para preservarmos nossas riquezas naturais.

Lista de Exercícios

1. Qual a diferença entre oxidação e corrosão em um sistema de potência?

2. Porque a maioria dos circuitos hidráulica deve operar a uma temperatura abaixo de 140oF?

3. Um reservatório pesa 3 kg quando vazio, 53 kg quando preenchido com água e 66 kg

quando preenchido com glicerina. Determine a gravidade específica da glicerina.

4. Derive a expressão P (psi) = 0,433hsg, a partir das definições de pressão e força

apresentadas no capítulo.

5. Um litro de óleo SAE 30 pesa 8,70 N. Calcule a densidade, peso específico e gravidade

específica deste óleo.

6. Um tubo de 100 m de comprimento é inclinado a 30o com a horizontal e preenchido com um

óleo de Sg = 0,9. Qual é a pressão na base do tubo se o topo esta aberto para a atmosfera?

7. Num sistema hidráulico para levantar cargas verticalmente, o pistão hidráulico tem um

diâmetro de 250 mm. Qual pressão do óleo é requerida para levantar uma carga de 13300

N?

8. Para o sistema de levantamento do problema anterior, a pressão do ar é igual a 550 kPa

relativa. Se o pistão hidráulico tem 250 mm de diâmetro, qual é o máximo peso que pode

ser levantado? A gravidade específica do óleo é 0,90.