Atuadores e Sistemas Hidráulicos - sites.poli.usp.brsites.poli.usp.br/d/pmr2481/notashidraul1.pdf · Aula 1 Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas

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


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


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...


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:


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;


7 Princípio de Pascal Pricípio da Prensa Hidráulica

1

2

FF

1

2

AA


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.


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 =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= !


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:


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:


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.


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.


14 Módulo de compressibilidade efetivo (βe)

Variação volumétrica de um sistema em função da pressão


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).


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.


17 Conversão de Energia

Deslocamento Fixo -Engrenagens; -Parafusos -Palhetas -Pistões

Deslocamento Variável: -Palhetas -Pistões


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



Bombas de Engrenagens internas

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Bomba tipo gerotor

Onde: z = número de dentes b = largura dos dentes



Compensação de forças e vazamentos

�

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.


21 Princípio de deslocamento por Parafusos

Bomba de Parafusos

�


22 Princípio de deslocamento por Palhetas

Bomba de 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



Bomba Celular de Palhetas com deslocamento variável

�

Com -e < x < +e



Compensação de pressão em bomba variável

�

Forças de Reação na bomba


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)



Máquinas de Pistões Axiais

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Máquinas de prato inclinado Máquinas de eixo inclinado

-Tambor rotativo

-Prato rotativo



Máquinas de Pistões Radiais

�

Bomba de pistões radiais com compensação de pressão, acesso interno de fluido e articulação externa dos pistões


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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3 Pistões 4 Pistões

6 Pistões 7 Pistões



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Grau de irregularidade em função do número de pistões e paridade

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