Conceitos Fundamentais

Conceitos Fundamentais
Fluídos
hidráulicos
Os fluidos hidráulicos constituem o meio para transferência de energia (meio de transmissão de
forca) em qualquer sistema hidráulico. A escolha do fluido tem importância decisiva no bom
funcionamento, durabilidade, fiabilidade e rendimento de um sistema hidráulico. Todos os
componentes devem ser dimensionados de modo a atender as características físicas do fluido.
Normalmente utilizam-se óleos a base mineral denominados óleos hidráulicos. Existem também
óleos minerais aditivados e fluidos resistentes ao fogo, os quais impõem algumas restrições à
utilização de componentes e materiais.
Os óleos minerais podem ser definidos segundo as normas DIN51524 e 51525. Esta classificação
recomenda o tipo de aplicação a que se destina um determinado tipo de óleo e a classe de
viscosidade. Por exemplo, Fluido Hidráulico tipo HL conforme norma DIN é indicada para uso em:
compressores, radiadores, trocadores de calor, sistemas hidráulicos e outros, com pressão até 200
bar.
Dependendo das características de operação do sistema ou da analise a ser efetuada, considera-se que
os fluidos hidráulicos são praticamente incompressíveis. Se o sistema esta sujeito a variações
rápidas e elevadas de pressão e/ou temperatura, deve considerar-se o efeito de compressibilidade do
fluido. O movimento de um fluido pode ser descrito conhecendo as funções de distribuição da sua
velocidade, pressão e densidade.
Na determinação do modelo de fluido hidráulico, podem ser considerados os seguintes efeitos físicos
característicos: capacitância, fricção e inércia. É possível escolher mais de uma alternativa em função
da combinação de efeitos para definição do modelo.
ƒ A INERCIA está relacionada com os efeitos da densidade do fluido.
ƒ A FRICÇÃO está relacionada com os efeitos da viscosidade.
ƒ A CAPACITÂNCIA está relacionada com os efeitos compressibilidade.
O conceito INTRINSECOS significa que não é necessária a definição específica de um dos efeitos
característicos, considerando que o as propriedades implementadas e sugeridas pelo ambiente de
modelagem e simulação são satisfatórias para o modelo.
Densidade absoluta ou massa especifica ρ eh uma característica própria de cada material. Representa
a razão entre a massa de e o volume ocupado por uma determinada amostra de uma substancia.
Efeito da inércia Como a densidade esta relacionada com a massa, na hidráulica se traduzirá em efeito inercial. A
densidade é função da pressão e da temperatura. Relacionados com a densidade podem ser expressos
em fluidos
hidráulicos
três diferentes coeficientes: o bulk modulus (ou módulo de elasticidade volumétrica) Β, o coeficiente
de expansão cúbica α e coeficiente de compressibilidade β. A relação entre ρ e Β implica na
conservação da massa e deve ser respeitada nos cálculos.
Compressibilidade é fator predominante na determinação da freqüência hidráulica dos sistemas
hidráulicos. Sob condições de variações rápidas e elevadas de pressão, o fluido se comporta como
uma mola hidráulica, Na maioria dos casos, isso implica limitação da velocidade de resposta de um
Efeito capacitivo
componente ou sistema a um dado sinal de entrada, ou seja, a limitação do comportamento dinâmico.
em fluidos
A análise dos efeitos da compressibilidade é usualmente realizada utilizando-se o chamado modulo
hidráulicos
de compressibilidade βι. Há também o modulo de compressibilidade efetivo βe. Quando um sistema
hidráulico é submetido a variação de pressão, o volume de liquido tende a diminuir em função da sua
compressibilidade. (LINSINGEN, 2003, p.108)
Constitui resistência à deformação dos fluidos em movimento; não se manifestando se o fluido se
encontrar em repouso. Está relacionado com a característica de viscosidade do fluido. A ação da
Efeito da fricção
viscosidade representa uma forma de atrito interno, exercendo-se entre partículas adjacentes que se
em fluidos
deslocam com velocidades diferentes. A viscosidade distingue-se entre viscosidade dinâmica e
hidráulicos
viscosidade cinemática, sendo esta para hidráulica de interesse quase exclusivo. Viscosidade esta
relacionada aos processos de dissipação de energia, com os efeitos de fricção.
Viscosidade
absoluta
Também denominada por viscosidade dinâmica. Viscosidade - é a medida da resistência ao
escoamento a uma determinada temperatura. Constitui resistência à deformação dos fluidos em
movimento; não se manifestando se o fluido se encontrar em repouso. A ação da viscosidade
representa uma forma de atrito interno, exercendo-se entre partículas adjacentes que se deslocam
com velocidades diferentes. A viscosidade é uma propriedade termodinâmica (dependente de T e P).
É uma das características de maior importância do óleo lubrificante. O coeficiente de viscosidade
dinâmico h, é o parâmetro que produz a existência de esforços tangenciais nos liquidos em
movimento. Depende do atrito interno do fluído (isto é, da força de atrito entre camadas diferentes do
fluído que se move com velocidades diferentes).
http://www.defi.isep.ipp.pt/~ndg/site/normas/1015.pdf
http://www.ufsm.br/aerodesign/Biblioteca/pdf/Mec.pdf
Conceitos Fundamentais
Fricção
Fricção é uma força tangente à superfície de contato. A força da fricção tem um máximo que é linear
ao normal, i.e., a força que pressiona os objetos uns contra os outros, (o peso do objeto). O valor da
fricção denota o coeficiente da fricção do Coulomb, i.e. a relação da força máxima da fricção e da
força normal. Para um objeto deslizante a força da fricção será sempre a força máxima da fricção.
Para um objeto estacionário a força da fricção cancelará toda a força tangente que for menor que a
fricção máxima. Se a força tangente for maior do que a fricção máxima então o objeto começará a
deslizar.
Para alguns objetos você precisará ter diferentes fricções em sentidos diferentes. Por exemplo um
skateboard obterá relativamente pouca fricção ao movê-lo para frente e para trás, mas uma
quantidade maior de fricção quando movê-lo de um lado para outro.
Propriedades
alteradas pelo
projetista
Refere-se a possibilidade do projetista alterar determinadas propriedades do fluido para a correta
implementação dos valores característicos de um fluido a ser utilizado para modelagem do sistema
hidráulico. As opções de escolha para representação desta característica estão diretamente
relacionadas com as características operacionais oportunizadas por ambientes computacionais de
modelagem e simulação por permitirem a alteração de dados nas características pré-determinadas nos
seus modelos já implementados, como por exemplo, pode estar relacionado com parâmetros da
vaporização diretamente no ambiente computacional, ou ainda, a inserção de tabelas próprias de
determinados fabricantes ou de ensaios, fornecendo um arquivo de dados que defina, por exemplo,
densidade, bulk modulus e viscosidade para uma aplicação específica. As opções oferecidas são:
ALTERANDO DADOS referindo-se à possibilidade de modificar os dados no próprio ambiente
computacional; TABELA DE DADOS refere-se à condição de inserção de tabelas de dados própria
do projetista; INAPLICÁVEL considera que os valores oferecidos pelo ambiente computacional são
suficientes para representar o modelo de fluido.
Viscosidade
A viscosidade é uma propriedade termodinâmica (dependente de T e P). Esta característica é
expressa numericamente e representada pela letra µ - coeficiente de viscosidade cujo valor depende
da substância e da temperatura. Sua determinação segue a norma DIN/ISO 2909. É determinada de
acordo com procedimento normalizado, no qual é medido o tempo que um fluido demora a percorrer
um tubo capilar. Os valores de viscosidade são referidos a uma determinada temperatura.
O movimento de um fluido viscoso exige a aplicação continuada de forças exteriores. A energia
entregue ao fluido para vencer a viscosidade é dissipada como calor pelo efeito de atrito viscoso.
Quanto maior o índice de viscosidade, menor é a sua variação com a temperatura, contudo conduz a
elevadas perdas por atrito e a perdas de carga em seções estranguladas. Em tubulações,
particularmente na aspiração de bombas, pode provocar problemas de cavitação. Valores muito
baixos de viscosidade podem conduzir a geração de calor e, por conseguinte, a um aumento de fugas,
provocando elevações de temperatura do óleo. A viscosidade pode ser classificada em classes
definidas por normas internacionais como SAE (para lubrificantes automotivos), ISO-VG
(lubrificantes industriais) e DIN51502. Para exemplificar, a norma DIN 51502 tem por objetivo a
marcação uniforme de lubrificantes standard através de um sistema de letras de código e de símbolos
gráficos simples. A marcação diz respeito, entre outras coisas, ao tipo de lubrificante, à viscosidade,
à consistência e à temperatura de utilização. A divisão em classes de viscosidade é efetuada
conforme a norma DIN 51519. Quanto maior o número, mais viscoso é o líquido. A maioria dos
sistemas hidráulicos industriais requer um fluido com índice de viscosidade de 90 ou mais.
(http://www.ufsm.br/aerodesign/Biblioteca/pdf/Mec.pdf )
De forma diferente dos gases, os líquidos são compressíveis, sendo esta uma característica
Efeito capacitivo importante a ser considerada na modelagem. Quando submetido a altas pressões a densidade do
em linhas
fluido aumenta. Consequentemente as paredes dos tubos/mangueiras que contem o fluido expandem.
hidráulicas
O resultado combinado destes esforços origina a capacitância. Pode-se fazer uma correlação com o
efeito mola em um sistema mecânico.
Efeito resistivo
em linhas
hidráulicas
Este efeito está relacionado com a oposição ao deslocamento do fluído no interior da linha hidráulica
em função das características construtivas das linhas, como rugosidade das paredes, comprimento e
diâmetro. Estes efeitos geram a necessidade de um aumento da pressão para o circuito hidráulico.
Muito característico em linhas de grande comprimento.
Efeito da inércia Esta relacionada com o efeito da inércia em fluidos hidráulicos, no deslocamento da massa no
em linhas
interior da tubulação. Muito característico quando a velocidade do fluído é elevada.
hidráulicas
Cavitação
O fenômeno da cavitação ocorre em instalações hidráulicas quando bolhas de vapor se formam em
regiões de baixa pressão e implodem em superfícies sólidas ao encontrarem campo de pressão
positiva. (http://www.ufsm.br/aerodesign/Biblioteca/pdf/Mec.pdf )
Conceitos Fundamentais
Limitação e
Controle de
Energia
A limitação e/ou controle de energia em sistemas hidráulicos é realizada, em principio, atuando-se
sobre o valor da potência hidráulica, por intermédio de componentes físicos que alteram os valores de
vazão e/ou pressão, através de dois princípios de ação: dissipação de energia ou controle resistivo e
pequena dissipação de energia ou controle conservativo. Exemplo de controle conservativo são bombas
e motores de deslocamento variável.
Controle de
Pressão
Uma das características mais importantes dos sistemas hidráulicos é a de poder limitar e/ou controlar a
pressão. Alem da função básica de segurança contra sobrecarga a conseqüência pratica imediata é a
limitação e/ou controle de forcas e torques. O controle de pressão pode ser obtido tanto por intermédio
de válvulas quanto por intermédio de bombas de deslocamento variável.
Fundamentalmente, o controle de pressão pode ser realizado tendo-se em vista a limitação de pressão
ou sua redução em partes do sistema, surgindo dai dois grupos básicos: válvulas limitadoras de pressão
e válvulas redutoras de pressão. (LINSINGEN, 2003 p.231)
Pressão de
saturação ou
de vapor
É a pressão parcial da fase de vapor em equilíbrio com a fase líquida de uma substância a uma
determinada temperatura. Um líquido entra em ebulição quando a pressão local for igual à sua pressão
de vapor àquela temperatura. Portanto, existem duas maneiras para provocar ebulição em um líquido:
(i) Aumentar sua temperatura; (ii) Diminuir a pressão local (cavitação).Por exemplo: a 1 atm, a água
estará saturada quando estiver a 100ºC. Essa temperatura é chamada, também, de Temperatura de
Saturação e a pressão de Pressão de Saturação ou Pressão de Vapor. Pode-se pressupor que uma dada
temperatura há uma pressão de saturação correspondente e vice-versa. À pressão atmosférica, a água
vaporiza a 100ºC. A pressão de vapor é 1,013 bar abs. Para todos os fluidos, a pressão de saturação é
diretamente proporcional à temperatura de vaporização, sendo a constante de proporcionalidade
dependente do tipo e características do líquido. http://www.ufsm.br/aerodesign/Biblioteca/pdf/Mec.pdf
Válvulas
Consistem de um corpo com passagens internas que são conectadas e desconectadas por uma parte
móvel. Nas válvulas direcionais e na maior parte das válvulas hidráulicas industriais, a parte móvel é o
carretel. Estas válvulas realizam no mínimo duas manobras
Controle
direcional
A flexibilidade de direcionar o fluido a diferentes pontos do sistema hidráulico, promover desvios ou
interromper o escoamento quando necessário, que constituem as características fundamentais do
controle direcional clássico, são conseguidas por meio de válvulas que são tratadas como se possuíssem
apenas comportamento discreto. Igualmente a outros tipos de válvulas, estas são identificadas de
acordo com funções específicas e características operacionais identificadas como numero de vias e
posições (ou estados), tipos de elementos de comando ou controle e forma dos elementos internos.
Entende-se por numero de vias o numero de tomadas de escoamento (ou pórticos) que a válvula possui,
excluindo drenos e pilotos quando houver, e, por posições, o número de estados estáveis que a válvula
pode assumir, promovendo ou interrompendo a interligação entre as vias. (LINSINGEN, 2003, p.279)
Válvulas de
retenção
É o tipo de válvula direcional mais simples, unidirecional, cuja função básica é permitir o escoamento
livre num sentido e bloquear o escoamento em sentido inverso.
Válvula de
retenção
simples
Para esse tipo de válvula, é conveniente que o comportamento de regime seja estável, ou seja, que a
queda de pressão seja mantida o mais próximo possível do valor de abertura,para qualquer valor da
vazão na válvula. Algumas aplicações podem ser: como válvula independente, no amortecimento de
fim de curso em cilindro ou na operação de descarregamento de bombas de baixa pressão em sistema
dual, ou ainda incorporada em outra válvula, etc.
Válvula de
controle de
pressão
Têm por função influir sobre a pressão num determinado componente ou ramo de um circuito. Em todo
sistema hidráulico, é necessária a presença de elementos reguladores que limitem, regulem, reduzam ou
interrompam a elevação de pressão e permitam também um controle seqüencial de determinadas
operações preestabelecidas ou instantâneas. Servem para controlar a pressão, a direção ou o volume de
um fluido nos circuitos hidráulicos. A base de operação destas válvulas é um balanço entre pressão e
forca da mola.
Atuadores
hidráulicos
Constituem o ponto onde toda atividade visível ocorre. Permitem a execução de trabalho útil associado
a movimentos rotativo, linear e oscilante, transformando energia de trabalho hidráulica previamente
condicionada na unidade de limitação e controle em energia mecânica de saída (força ou torque). Os
atuadores hidráulicos podem ser subdivididos em lineares e rotativos. Os rotativos são mecanismos
compactos, simples e eficientes, que produzem um alto torque e requerem pouco espaço e montagem
simples. Os atuadores lineares podem ser denominados por cilindros hidráulicos. Em função de sua
aplicabilidade, este trabalho considera apenas os cilindros hidráulicos.
Os cilindros hidráulicos transformam trabalho hidráulico em energia mecânica linear, a qual é aplicada
a um objeto resistivo para realizar trabalho. Em geral os cilindros podem ser classificados em função da
forma de ação (simples ou dupla), do tipo construtivo e do modo de fixação.
Conceitos Fundamentais
Bombas
hidráulicas
Constitui um dos elementos que realiza a conversão de energia em um sistema hidráulico,
transformando energia mecânica em energia hidráulica que é transmitida ao sistema hidráulico. As
máquinas podem ser classificadas em função das características geométricas em:
máquinas hidrodinâmicas pouco usadas em sistemas hidráulicos (bombas de deslocamento nãopositivo onde a energia transferida é substancialmente cinética);
máquinas hidrostáticas (de deslocamento positivo, na qual ao contrario, a energia é transferida
principalmente na forma de pressão). Fornecem determinada quantidade de fluido a cada rotação ou
ciclo.
As bombas são, geralmente especificadas pela capacidade de pressão máxima de operação e pelo
seu deslocamento, em litros por minuto, em uma determinada rotação por minuto.
Considera as perdas mecânicas e volumétricas (de vazão) existentes na bomba hidráulica. A
Perdas na bomba
eficiência pode ser considerada apenas fornecendo um valor de parâmetro constante entre zero e a
hidráulica
unidade (0<nu<1)
Refere-se à característica da bomba operar em dois sentidos de rotação (horário e anti-horário).
Pressão do
sistema
hidráulico
A pressão de um sistema hidráulico é definida em projeto em função das necessidades de operação,
considerando por exemplo perdas de carga e térmicas, tipos de componentes, entre outras condições,
como apresentado por Fialho (2003, p.98). Para análise e determinação de uma característica
relacionada com a pressão do sistema, foi proposta uma comparação com a pressão de saturação,
sendo os valores permitidos: CONSTANTE; ABAIXO DA SATURAÇÃO e ACIMA DA
SATURAÇÃO. Diz-se que um líquido está saturado quando, a certa pressão, está na temperatura de
ebulição correspondente a essa pressão. Por exemplo: a 1 atm, a água estará saturada quando estiver
a 100 oC. Essa temperatura é chamada, também, de Temperatura de Saturação e a pressão de Pressão
de Saturação ou Pressão de Vapor. Pode-se pressupor que uma dada temperatura há uma pressão de
saturação correspondente e vice-versa. A pressão de vapor é 1,013 barabs. Para todos os fluidos, a
pressão de saturação é diretamente proporcional à temperatura de vaporização, sendo a constante de
proporcionalidade dependente do tipo e características do líquido.
Efeitos
modelados no
componente
Esta característica está relacionada com os efeitos considerados separadamente para composição e
construção do modelo do componente. Desta forma é possível verificar qual característica será mais
significativa e desejável na modelagem do cilindro hidráulico. FRICÇÃO VISCOSA: atrito entre
uma superfície sólida e um líquido ou um gaz. "STICTION" é uma combinação de "static" e
"friction", significando ATRITO ESTÁTICO. FRICCAO COULOMB representa a fricção
cinemática que se opõe a direção do deslocamento de um corpo (haste do cilindro). O
posicionamento final (fim de curso - endstop) refere-se a como limitar o deslocamento da haste do
cilindro de modo a limitar o efeito da energia cinética no avanço e retorno. Os modelos adotados
pelo ambiente de modelagem e simulação consideram duas condições: a primeira, uma colisão
inelástica (ENDSTOP INELÁSTICA) com velocidade chegando instantaneamente para o repouso; a
segunda, a posição final baseada em modelo mola/amortecedor (ENDSTOP
MOLA/AMORTECEDOR). A representação de uma MASSA ACOPLADA na haste refere-se a
característica modelada de uma massa (corpo) a ser movimentado pela haste do cilindro. A
informação INCLINAÇÃO indicará se há necessidade de considerar o ângulo que o cilindro forma
com a base de fixação.
Capacitância
Hidráulica
De forma diferente dos gases, os líquidos são compressíveis, sendo esta uma característica
importante a ser considerada na modelagem. Quando submetido a altas pressões, a densidade do
fluido aumenta. Consequentemente as paredes dos tubos/mangueiras que contém o fluido expandem.
O resultado combinado destes esforços origina a capacitância. Pode-se fazer uma correlação com o
efeito mola em um sistema mecânico.