Atuadores e Sistemas Hidráulicos -...
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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
Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva
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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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 !! ==
111
111 QpAAFyP =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= !
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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
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Distribuição de pressões
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19 Princípio de deslocamento por Engrenagens
Bombas de Engrenagens internas
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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
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Pressões elevadas, pequena pulsação, r e n d i m e n t o t o t a l elevado e baixo nível de ruído.
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23 Princípio de deslocamento por Palhetas
Bomba de Palhetas
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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
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Com -e < x < +e
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25 Princípio de deslocamento por Palhetas
Compensação de pressão em bomba variável
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Forças de Reação na bomba
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26 Princípio de deslocamento por Pistões
Máquinas de Pistões Radiais
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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
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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
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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
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Comportamento qualitativo d o d e s l o c a m e n t o v o l u m é t r i c o e m u m a bomba de pistões de prato inclinado.
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30 Irregularidades em Máquinas Hidrostáticas
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3 Pistões 4 Pistões
6 Pistões 7 Pistões