Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva

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Atuadores e Sistemas Hidráulicos

Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva

Aula 1

Escola Politécnica da USP

Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas

Mecânicos

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2 Introdução

• Ano 200 AC: rodas d’água;

• 1600: bomba de engrenagens (Johannes Kepler);

• 1640 e 1795: prensa hidráulica (Pascal e Bramah);

• Século XIX: indústria naval (âncora, direção, guindastes);

• 1900: água é substituída por óleo; bomba de pistões axiais;

• 1910: controle de turbinas hidráulicas, motor de pistões

radiais;

• 1950: acumulador hidropenumático;

• Ápós 1960: mecanização e automação (servo hidráulica);

Hidráulica é o ramo da engenharia que estuda a aplicação de

um líquido para a tecnologia de acionamento e comando

Histórico

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•Líquido em geral inflamável;

• Necessita linhas de retorno;

• Alta viscosidade vazamentos são mais difíceis;

• Líquido é em geral incompressível atuadores podem atingir

posições intermediárias com precisão Circuitos hidráulicos são

análogos aos circuitos eletrônicos analógicos.

Sistema Hidráulico Genérico

Tecnologia de Acionamento Hidráulico

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4 Campo de Aplicação da Hidráulica

• Máquinas operatrizes, prensas, robôs

industriais;

• Máquinas de precisão

• Siderurgia, engenharia civil (comportas e

represas, pontes móveis), geração de energia

e extração mineral;

• Tratores, guindastes, máquinas agrícolas,

carros, etc..;

• Aplicações navais (controle do leme,

guindastes, etc..);

• Controle de aeronaves, trens de

aterrisagem, simuladores

de vôo, disjuntores de centrais elétricas;

• Equipamentos odontológicos e hospitalares,

postos de gasolina, prensas de lixo urbano,

etc...

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5 Características dos Sistemas Hidráulicos

• Baixa relação peso/potência (aplicações aeronáuticas);

• Resposta rápida (inversão de movimentos);

• Variação contínua de força e velocidade nos atuadores

(sistema analógico);

• Controle de sistemas rápidos;

• Movimento preciso em sistemas lentos;

• Segurança à sobrecarga;

• Componentes lubrificados pelo próprio fluido;

• Capacidade de armazenar energia (acumuladores);

Vantagens:

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6 Características dos Sistemas Hidráulicos

Desvantagens:

• Custo elevado em relação a sistemas mecânicos e

elétricos;

• Perdas por vazamentos internos e externos;

• Compressibilidade, embora pequena, pode afetar;

• Presença de ar (bolhas - cavitação) provoca movimento

pulsante nos atuadores;

• Cuidados com cavitação;

• Baixo rendimento devido à perda de carga nas

canalizações e nos componentes;

• Alteração da temperatura, altera a viscosidade que altera

as perdas por vazamentos. Solução: trocadores de calor;

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7 Princípio de Pascal

Pricípio da Prensa Hidráulica

1

2

F

F

1

2

A

A

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8 Conservação da Massa - Eq. da Continuidade

Se escoamento incompressível (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 saída é fixo e as propriedades

são invariantes no tempo.

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9 Eq. da Continuidade aplicada à Prensa Hid.

Potência:

Prensa Hidráulica

Com a Equação da Continuidade podemos

descrever o comportamento da prensa

hidráulica. Consideramos o escoamento

incompressível, portanto a velocidade do

pistão 2 é determinada pela vazão

produzida pelo cilindro 1.

2211 AyAyQ

11

1

111 Qp

A

AFyP

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10 Acionamento Hidrostático

Acionamento Hidrostático consiste na transmissão de movimentos rotativos

através de sistemas hidráulicos, se utilizando de bombas hidráulicas e

motores hidrostáticos.

Volume deslocado em uma rotação completa do motor, sendo “A” a área da

palheta e “d” o diâmetro médio do motor hidrostático:

Sendo 1 o índice da bomba e 2

o índice do motor:

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11 Acionamento Hidrostático

Onde Δp1= ps – pe ; Δp2 = pe – ps ; T1 e

T2 são torques aplicados nos eixos da

bomba e do motor respectivamente.

Admite-se, para este caso que as perdas de

energia nas canalizações são desprezíveis,

portanto Δp1 = Δp2 . Assim:

Cálculo da Potência requerida

pela bomba e pelo motor:

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12 Conservação da Massa-Eq. da Continuidade

Volume de Controle Variável

Escoamento em um dispositivo

de armazenamento de energia,

volume de controle variável.

Consideramos o fluido compressível, ou

seja, massa específica variável no tempo,

porém uniforme no espaço. Aplicando-se a

Equação da Continuidade temos:

Onde β é o módulo de compressibilidade do

fluido.

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13 Módulo de compressibilidade (βℓ)

Onde é o módulo de

compressibilidade isoentrópico

e é o módulo de

compressibilidade isotérmico

O módulo de compressibulidade é sempre positivo, dado

que é sempre negativo. Seu valor não é constante e

tende a aumentar de forma não-linear com a pressão e

diminuir com a temperatura.

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14 Módulo de compressibilidade efetivo (βe)

Variação volumétrica de um

sistema em função da pressão

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15 Conversão de Energia

A Conversão de Energia em Sistemas Hidráulicos é feita

através de motores hidráulicos e bombas

Conversão de Energia

Bombas hidrodinâmicas (não-positivas) e hidrostáticas (positivas).

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16 Curvas Características de Bombas

Bomba centrífuga Bomba Hidrostática

Em bombas de deslocamento positivo, a vazão é pouco influenciada

pela resistência ao escoamento a jusante.

Em bombas de deslocamento não-positivo, não existe contato direto

entre rotor e carcaça, resultando em vedação inadequada e portanto

grandes variações na vazão com a diferença de pressão.

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17 Conversão de Energia

Deslocamento Fixo

-Engrenagens;

-Parafusos

-Palhetas

-Pistões

Deslocamento Variável:

-Palhetas

-Pistões

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18 Princípio de deslocamento por Engrenagens

Bomba e Motor de Engrenagens Externas

Utilizada em sistemas hidráulicos em geral. São robustas,

adaptáveis a grandes variações de viscosidade, insensíveis a

eventuais partículas sólidas presentes no fluido, fáceis de

montar, entre outras características

Distribuição de pressões

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19 Princípio de deslocamento por Engrenagens

Bombas de Engrenagens internas

Bomba tipo gerotor

Onde:

z = número de dentes

b = largura dos dentes

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20 Princípio de deslocamento por Engrenagens

Compensação de forças e vazamentos

Pressões elevadas,

pequena pulsação,

rendimento total

elevado e baixo nível

de ruído.

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21 Princípio de deslocamento por Parafusos

Bomba de Parafusos

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22 Princípio de deslocamento por Palhetas

Bomba de Palhetas

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23 Princípio de deslocamento por Palhetas

Bomba de Palhetas

Bomba Compensada.

Bomba celular de palhetas

consiste em duas câmaras de

sucção e duas de descarga

diametralmente opostas

Bomba de palhetas duplas

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24 Princípio de deslocamento por Palhetas

Bomba Celular de Palhetas com deslocamento variável

Com -e < x < +e

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25 Princípio de deslocamento por Palhetas

Compensação de pressão em bomba variável

Forças de Reação na bomba

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26 Princípio de deslocamento por Pistões

Máquinas de Pistões Radiais

Motor de pistões radiais em estrela, com acesso externo e

articulação interna (sistema Düsterloch)

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27 Princípio de deslocamento por Pistões

Máquinas de Pistões Axiais

Máquinas de prato inclinado Máquinas de eixo inclinado

-Tambor rotativo

-Prato rotativo

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28 Princípio de deslocamento por Pistões

Máquinas de Pistões Radiais

Bomba de pistões radiais com compensação de pressão,

acesso interno de fluido e articulação externa dos pistões

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29 Irregularidades em Máquinas Hidrostáticas

Comportamento qualitativo

do deslocamento

volumétrico em uma

bomba de pistões de prato

inclinado.

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30 Irregularidades em Máquinas Hidrostáticas

3 Pistões 4 Pistões

6 Pistões 7 Pistões

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31 Irregularidades em Máquinas Hidrostáticas

Grau de irregularidade em função

do número de pistões e paridade