Sistemas de atuação

UNIVERSIDADE METODISTA DE PIRACICABA

Trabalho de Sistema de Atuação

Alunos:

Professor: Flávio Galib

.

Santa Bárbara d Oeste

27 de Julho de 2007

Sumário

1 Objetivo 1

2 INTRODUÇÃO 2

3 INTRODUÇÃO TEÓRICA 2

3.1 Cilindros Hidráulicos 2

3.2 As Formulas para cálculos: 4

3.3 Bombas 4

Existem dois tipos de bomba: 4

3.3.1 Tipos de Bombas 5

3.4 Motor Elétrico 6

3.5 TUBULAÇÃO 6

3.5.2 Tubulação 7

3.6 Válvulas de Controle Direcional 8

3.6.1 As Posições 9

3.6.2 As Vias 10

3.6.3 Acionamento 10

4 Projeto 12

4.1 Esquema do Circuito Hidráulico 12

4.2 Determinação do Cilindro 12

5 Cálculos 13

5.1 Determinação da Bomba 15

5.2 Determinação do Motor 18

5.3 Determinação do Encanamento 18

5.3.1 Cálculo do Diâmetro da Tubulação: 19

5.3.2 Válvula Direcional 19

5.3.3 Válvulas Reguladores de Fluxo Retentivas 19

5.3.4 Válvulas de Segurança 20

5.4 Determinação do Reservatório 20

6 Bibliografia 21

1Objetivo

Desenvolvimento de um sistema hidráulico capaz de levantar as garras de elevação de carga em uma empilhadeira, que esta sobre uma força de 2000KgF, utilizando como base as empilhadeiras convencionais.

2INTRODUÇÃO

Este trabalho tem como objetivo desenvolver e aplicar princípios básicos de cálculo de dimensionamento de circuitos hidráulicos, sendo um projeto composto de 01 Cilindro hidráulico, 01 Bomba hidráulica, 01 Motor Elétrico, 01 Reservatório de Fluido e Válvulas de Comando. Este circuito tem como objetivo constituir um conjunto hidráulico suficiente para levantar uma carga de 2 Toneladas.

3INTRODUÇÃO TEÓRICA

3.1Cilindros Hidráulicos

O Cilindro hidráulico é um atuador linear, o movimento e a força que ele executa são transmitidos na mesma direção e sentido. Por se tratar de um atuador, a função básica de um cilindro hidráulico é transformar pressão hidráulica em uma força mecânica. A figura a seguir mostra um exemplo de cilindro hidráulico.

- Cilindro linear

Dentre os diversos tipos de cilindros podemos destacar dois principais:

De simples ação ou simples efeito (avanço com fluido, e retorno com mola);

De dupla ação ou duplo efeito (avanço com fluido e retorno também comandado por fluido).

Neste projeto, o cilindro utilizado é do tipo dupla ação, o movimento deste por sua vez é feito através da entrada do fluido em qualquer uma das tomadas a uma determinada vazão e pressão, seu símbolo pode ser visto na figura abaixo.

- Símbolo do Cilindro de Dupla Ação

As peças essenciais de um cilindro são, um tubo, um pistão, uma haste, tampas e retentores adequados. Os tubos geralmente são de aço sem costura com acabamento bem retificado na parede interna. O pistão, de ferro fundido ou de aço, incorpora retentores para evitar vazamento entre este e a parede do tubo.

A capacidade do cilindro é determinada segundo seu tamanho e sua resistência a pressão. A maioria tem uma haste padrão, porém hastes pesadas e extra pesadas são disponíveis. O tamanho do cilindro é definido pelo diâmetro do pistão e pelo curso da haste. A velocidade do cilindro, a força e pressão necessária para uma dada carga, dependem da área do pistão utilizado. No movimento de retorno a área da haste tem que ser levada em conta.

3.2As Formulas para cálculos:

Velocidade do cilindro:

Fluxo necessário para uma dada velocidade: =

Força para uma dada pressão: =

3.3Bombas

A bomba é responsável pela geração de vazão dentro de um sistema hidráulico, sendo portanto também responsável pelo acionamento dos atuadores. Observamos então, que as bombas hidráulicas são utilizadas para converter energia mecânica em energia hidráulica.

Existem dois tipos de bomba:

Bombas de deslocamento não positivo

Bombas de deslocamento positivo

Este projeto demanda a utilização de uma bomba de deslocamento positivo, porque estas permitem a transmissão de potência em circuitos óleo hidráulico, apresentam também uma capacidade máxima de pressão a que pode resistir a vazão nominal, a partir de uma determinada rotação e potência fornecidas.

As bombas de deslocamento positivo são denominadas também bombas hidrostáticas. Uma vedação mecânica, denominada selo mecânico, separa a entrada e saída da bomba, e o volume de fluido succionado é transferido para o lado de saída e então, fornecido para o sistema. A sucessão de pequenos volumes de fluido transferidos dessa forma, proporciona uma vazão uniforme, independente do aumento de pressão no sistema, possibilitando assim, uma quantidade de fluido positiva que é transferida ao mesmo sistema por unidade de revolução ou curso. Naturalmente, a vazão poderá ser mais ou menos uniforme, de acordo com a característica construtiva da bomba.

O rendimento volumétrico de uma bomba é dado pela seguinte relação:

O maior ou menor rendimento volumétrico é função de vários fatores envolvidos na fabricação e utilização de uma bomba. O projeto da bomba, tipo, cuidados na aplicação, etc., têm grande influência no seu valor alto ou baixo.

3.3.1 Tipos de Bombas

Manuais

Engrenagens

Parafusos

Palhetas

Pistões Radiais

Pistões Axiais

Neste sistema hidráulico optou-se pela utilização de uma bomba do tipo Pistões Axiais, devido à pressão elevada que podem operar ( pressão máxima de 700bar). Possuem também, um alto rendimento volumétrico, cerca de 95%. Construtivamente, a bomba trabalha com um conjunto de pistões paralelamente ao eixo. Um bloco contendo os pistões gira internamente a carcaça, e os mesmos são pressionados por ressaltos em forma de came em uma placa fixa, denominada prato. A partir desse movimento de rotação é transmitido um movimento retilíneo aos pistões, que succionam o fluido no sentido ascendente e descarregam no sentido descendente.

3.4 Motor Elétrico

Uma bomba hidráulica normalmente é acionada por um motor elétrico, devido à uniformidade de rotação mesmo com cargas variáveis.

De acordo com sua construção, pode-se ter motores de diferentes rotações nominais. Um motor de construção baseada em dois pólos tem uma rotação nominal de 3600rpm, um motor de quatro pólos tem uma rotação nominal de 1800 rpm e um motor construído com seis pólos tem sua rotação nominal 1200rpm. Quando atuando em regimes de carga elevada, as rotações caem, pois o motor necessita ter um escorregamento, ou seja, uma diferença entre a velocidade do campo girante do estator (velocidade síncrona) e a velocidade do rotor. O torque produzido no eixo é diretamente proporcional ao valor do escorregamento. A velocidade do motor elétrico deve ser dimensionada a partir das velocidades mínima, ideal e máxima, que constam do catálogo da bomba hidráulica.

Os fabricantes de equipamentos hidráulicos, além de indicarem em seus catálogos as rotações máximas, mínimas e ideais que a bomba pode trabalhar, costumam, também, fornecer uma tabela de potência do motor elétrico, de acordo com a vazão e pressão máxima de trabalho. O cálculo da potência necessária pode ser feito da seguinte maneira:

3.5TUBULAÇÃO

A tubulação é a parte responsável pelo transporte do fluido hidráulico, sem que haja perda de pressão, ou perca de fluido. Interliga os componentes como bomba hidráulica, filtros, válvulas, cilindros, reservatório e reguladores de vazão. Os sistemas hidráulicos utilizam principalmente 3 tipos de condutores:

Tubo de aço

Mangueiras flexíveis

Nos sistemas hidráulicos recomenda-se o uso de canos de aço sem costura, com seu interior livre de ferrugem, escama ou sujeira.

3.5.1.1Dimensionamento da Tubulação

A tubulação e as conexões são classificadas pelo diâmetro nominal e a espessura da parede. Existem diversas espessuras de parede para tubos e conexões:

Padrão

Extra pesada

Extra pesada dupla

Entretanto, como o diâmetro externo não se modifica. Para aumentar a espessura da parede, foi modificado o diâmetro interno. Portanto a bitola nominal indica apenas a bitola da rosca para conexões.

3.5.1.2Vedações

Podem ser feitas com vedações líquidas com cura lenta, ou ainda com o auxilio de fitas de vedação.

3.5.1.3Conexões

Os diversos componentes do sistema, bem como as tubulações devem ser acoplados por meio de conexões fixas, ou articuladas.

3.5.2Tubulação

Uma tubulação feita com tubos de aço sem costura, oferece vantagens sobre uma instalação feita com canos padrão ou extra - pesados. Os tubos de aço sem costura, podem ser dobrados em qualquer forma, são mais fáceis de trabalhar e podem ser montados e desmontados frequentemente sem problemas de vedação. Normalmente, a quantidade de conexões é reduzida. Nos sistemas de baixo volume, agüentam pressões mais elevadas bem como conduzem o fluxo em menos espaço e peso. Entretanto, são mais caros, assim como as conexões que os acompanham.

A especificação para tubos de aço sem costura refere-se ap diâmetro externo. As medidas disponíveis são mostradas em incrementos de 1/16 , de 1/8 até 1 de diâmetro externo e em incrementos de , para diâmetros maiores que 1 . Várias espessuras de parede são disponíveis para cada tamanho. O diâmetro interno é igual ao diâmetro externo menos duas vezes a espessura da parede.

3.5.2.1Conexões para tubos

Os tubos não são vedados por roscas e sim por conexões de diversos tipos. Algumas destas conexões vedam pelo contato de metal com metal e são conhecidas como conexões de compressão. Podem utilizar tubos com ponta bizelada ou não. Outras usam anéis tipo Oring ou então retentores. Além das conexões roscadas, as flanges são também usadas para serem soldadas aos tubos de dimensões maiores.

3.5.2.2Mangueiras Flexíveis

Mangueiras flexíveis são recomendadas quando as linhas hidráulicas são sujeitas a movimento, ou vibração. Elas são fabricadas em camadas de borrachas sintética e trançados têxteis ou em fios de aço. Os modelos com trançados em fios de aço naturalmente permitem pressões mais elevadas. A camada interna da mangueira deve ser resistente ao fluido usado.

3.6 Válvulas de Controle Direcional

São válvulas utilizadas para controlar a direção e sentido do fluxo do fluido. Através desse controle, pode-se obter movimentos desejados dos atuadores (cilindro, motores e osciladores hidráulicos, etc.), de tal forma que, seja possível se efetuar o trabalho exigido.

As válvulas direcionais são de três tipos básicos diferentes:

Válvulas direcionais do tipo pistão ou esfera

Válvulas direcionais do tipo carretel deslizante

Válvula direcionais do tipo carretel rotativo

- Válvulas de Controle Direcional

Neste trabalho, o mais adequado é a utilização de válvula direcional tipo carretel. Essas válvulas são constituídas por uma peça cilíndrica com diversos rebaixos (carretel), desloca-se dentro de um corpo no qual são usinados diversos furos por onde entra e sai o fluido. Os rebaixos existentes no carretel são utilizados para intercomunicar as diversas tomadas de fluido do corpo, determinando a direção do fluxo.

3.6.1 As Posições

De acordo com o tipo de construção, a válvula direcional pode assumir duas, três ou mais posições, isto é, a válvula terá quantas posições o carretel puder assumir modificando a direção e sentido do fluxo de fluido, conforme demonstra a figura abaixo:

02 posições 03 posições 04 posições

Simbologia gráfica das posições de uma válvula direcional

3.6.2As Vias

O número de vias é contado a partir do número de tomadas para o fluido que a válvula possui. Na simbolização gráfica devemos sempre observar a seguinte regra: O numero de vias deve ser igual em cada posição e deve existir uma correspondência lógica entre elas .

- Representação Gráfica das vias em uma válvula

3.6.3Acionamento

Existem diversas maneiras de se acionar o carretel de uma válvula direcional. Entre as mais usadas pode se citar o comando manual (botão, alavanca, pedal, etc.), came, elétrico e pressão piloto.

Representação Gráfica de tipo de acionamento em válvulas

4 Projeto

4.1Esquema do Circuito Hidráulico

- Esquema do Circuito Hidráulico

4.2 Determinação do Cilindro

De acordo com a carga e o coeficiente de segurança, a força de atuação do cilindro deve ser de 2400 KgF, e uma área de para o embolo de 198,55 cm . Baseado é necessário escolher um cilindro de dimensões comerciais. Foi escolhido o cilindro modelo CDH-2 fabricado pela empresa Bosch Rexroth.

Cilindro hidráulico Bosch Rexroth CDH-2

Dados Técnicos

Pressão Nominal de Trabalho:

250 bar

Pressão Máxima:

375 bar

Embolo escolhido:

200 mm

Haste:

125 mm

Curso:

1500 mm

Comprimento do cilindro com curso 1500mm ( fechado )

1500 mm

Comprimento do cilindro com curso 15000 mm ( aberto )

3000 mm

5 Cálculos

A pressão máxima de trabalho será 250 bar, ou seja, 2549291 KgF/m .

Força do cilindro:

Volume de óleo dimensionado para 1 cilindro:

5.1Determinação da Bomba

Para determinarmos a vazão necessária da bomba, utilizaremos o volume de avanço do cilindro, pois é a situação mais critica do sistema, Vavanço=0,047m (47dm ). Levando em consideração que o tempo de acionamento de retorno do cilindro deve ser 5s, podemos então calcular a vazão:

Com base nesta vazão localizou-se uma bomba no catálogo do fabricante Bosch Rexroth, a qual especificaremos abaixo:

Bomba de Fluxo Variável RP91.401, Pistões Axiais, Sistema de Prato Inclinado

Bomba com Especificação Técnica: SA10VS0100DR/30LPPA12K37

Dados Técnicos

Pressão Nominal:

250 bar

Pressão Máxima:

315 bar

Tamanho Nominal:

100 Cilindradas

Velocidade Máxima Rotação

2200 rpm

Velocidade Recomendada:

1450 rpm

Rendimento Volumétrico:

0,9

Para determinação da vazão da bomba, utilizaremos a seguinte formula:

Para determinarmos desde já a vazão correta da bomba, precisamos encontrar a especificação de rpm s de um motor. Porém no texto descrito no item 4.3, vimos que a velocidade de um motor varia de acordo com seu numero de pólos, então, visto que a velocidade recomendada para a bomba é de 1450rpm, e que um motor de 6 pólos tem aproximadamente 1200rpm s e um de 4 pólos 1700 rpm s, então, optamos em trabalhar com um motor de 4 pólos com rotação de 1750rpm s, o qual será especificado com detalhes mais adiante.

Vazão da Bomba:

Torque Motriz:

Onde mh representa o rendimento hidráulico-mecânico, que usualmente em projetos é considerado 0,9, e a Psegurança, 250 bar, por ser a máxima permitida pelo cilindro.

Potência de Acionamento da Bomba:

Onde t é usualmente considerado em projetos como 0,9.

5.2Determinação do Motor

Como a potência de acionamento da bomba encontrada foi de 16,5 kW (22 HP) e o torque de acionamento de 156,8 Nm, ou 15,68 KgFm, então necessitamos de um motor que atenda esta necessidade.

Consultamos o catálogo do fabricante de motores WEG a escolha do motor foi Um mtor alto rendimento plus, 55CV, torque 200Nm.

5.3Determinação do Encanamento

Baseado nos conceitos teóricos expostos no item 4.4 vimos que a melhor opção para um encanamento é fazê-lo utilizando Tubos sem costura, assim evita-se em algumas situações a utilização de conexões do tipo curvas, pois nelas a possibilidade de vazamento no sistema aumenta, no entanto, utilizando-se tubos pode-se fazer curvas nos próprios tubos que eles suportam.

5.3.1Cálculo do Diâmetro da Tubulação:

Onde QBomba =355lts/min =5916cm /s e a velocidade de escoamento do fluido determinada é de 2,0m/s = 200cm/s.

Então o diâmetro da tubulação corresponde a 2.1/2 , com parede de 5mm. Determinação das Válvulas

5.3.2Válvula Direcional

Como já demonstrado em itens anteriores, a válvula direcional será do tipo 3 posições 4 vias, sendo seu acionamento manual através de alavanca tendo 03 posições de parada.

A válvula escolhida foi do fabricante Mannesmann Rexroth, e tem a seguinte especificação técnica: 4WMM10G10/FSS.

Dados Técnicos:

Tamanho Nominal: 10

Pressão: 350 bar

Vazão: 100 lts/min

5.3.3 Válvulas Reguladores de Fluxo Retentivas

A válvula escolhida para foi do fabricante Mannesmann Rexroth, que possui a seguinte especificação: Z2FS10-20-S

Dados Técnicos:

Tamanho Nominal: 10

Pressão de Trabalho: 350 bar

Vazão: 120 lts/min

Válvula Reguladora

5.3.4Válvulas de Segurança

A válvula escolhida para foi do fabricante Mannesmann Rexroth, que possui a seguinte especificação: DB20K1-4X/210YV

Dados Técnicos:

Tamanho Nominal: 20

Pressão de Trabalho: 210 bar

Vazão: 100 lts/min

5.4Determinação do Reservatório

O Reservatório é definido por uma estimativa de 3 vezes a vazão da bomba, ou seja, o volume de óleo que ele deve ter é 3 x QBomba

Sendo assim:

6Bibliografia

MANUAL DE HIDRÁULICA INDUSTRIAL 9351100-A, 3 ed., Sperry Vickers,1977

Catálogo empresa Mannnesmann Rexroth Componentes Hidráulicos

PALMIERI,A.C. Manual de Hidráulica Básica, 5 ed., Racine, Porto Alegre, 1985

Catálogo Eletrônico WEG

FIALHO,A.B. Automação Hidráulica, 1 ed.,Érica, São Paulo, 2002

PARKER. Parker Hannifin Ind. e Com. Ltda. Disponível em http://www.parker.com.br . Acesso em 15 jul.2007

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