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Relatório da Componente Curricular de SISTEMAS HIDRÁULICOS

Prof. A.C. VALDIERO Prof. L. A. RASIA

Panambi/RS, agosto de 2009

Carlos Alberto Graminho nasceu em 1983 no município de Ibirubá no estado do Rio

Grande do Sul. Completou o Ensino Médio no ano de 2000 no Colégio Sinodal “Visconde de Porto Seguro” no município de Ibirubá/RS. Desde 2002 reside na cidade de Panambi/RS, onde atua profissionalmente no ramo metal mecânico. Atualmente exerce a função de assistente de orçamentos na empresa Tromink Industrial Ltda.

Agradeço aos meus professores Dr. Eng. Mec. Antônio Carlos Valdiero e Dr. Eng.

Ele. Luiz Antônio Rasia, por terem se empenhado e se dedicado, em suas aulas, reforçando assim a realização desse trabalho.

A minha esposa Viviane, que sempre esteve me apoiando e incentivando no decorrer das aulas, assim como também meus pais Mário e Amália.

Aos colegas e amigos que de alguma forma contribuíram para a realização desse trabalho.

LISTA DE FIGURAS6
LISTA DE TABELAS7
SÍMBOLOGIA8
RESUMO9
ABSTRACT10
1 INTRODUÇÃO1
1.1 Generalidades1
1.2 Objetivos e metas1
1.3 Metodologia adotada1
2 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA E CONCEPÇÃO DO SISTEMA HIDRÁULICO12
2.1 Introdução12
2.2 Concepção do Sistema Hidráulico12
3 PROJETO PRELIMINAR DO SISTEMA HIDRÁULICO13
3.1 Introdução13
3.2 Cálculo do diâmetro interno mínimo do cilindro (Dmin)13
3.3 Cálculo do diâmetro mínimo da haste (dh)14
3.4 Cálculo da velocidade mínima de deslocamento da haste do cilindro15
3.5 Cálculo da vazão necessária ao sistema15
3.6 Cálculo da potência hidráulica necessária ao sistema16
3.7 Cálculo do diâmetro da tubulação do sistema16
3.8 Cálculo do volume do reservatório18
4 PROJETO DETALHADO DO SISTEMA HIDRÁULICO19
4.1 Introdução19
4.2 Escolha do cilindro hidráulico19
4.3 Escolha das válvulas necessárias19
4.4 Escolha das conexões e tubulações20
4.5 Escolha do fluido hidráulico e do filtro20
4.6 Escolha da Unidade Hidráulica21
5 CONCLUSÕES2
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS23
APÊNDICE A PROCEDIMENTO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA HIDRÁULICO24
ANEXO A CATÁLOGO DO CILINDRO25
ANEXO C CATÁLOGO DO FLUIDO HIDRÁULICO E FILTRO31
ANEXO D CATÁLOGO DOS TUBOS E CONEXÕES35
norma ISO 121912

Figura 1 – Desenho do circuito hidráulico concebido de acordo com a simbologia definida na Figura 2 – Comprimento livre de flambagem conforme tio de montagem .............................. 14

M Massa da carga[kg]
H Altura de elevação[m]
ts Tempo máximo de subida[s]
ps Pressão do sistema[Pa]
F Força necessária para elevação do cilindro[N]
ps Pressão máxima do sistema[bar]
A Área do cilindro[m2]
D Diâmetro[m]
v Velocidade de avanço do cilindro[m/s]
QVazão [lpm]
P Potência[kW]

SÍMBOLOGIA V Volume [l]

• Projeta-se um sistema hidráulico a partir da demanda de acionamento de um dispositivo de elevação de cargas. A aplicação de um acionamento hidráulico neste problema é vantajosa diante de situações que exigem soluções de engenharia caracterizadas por disponibilidade de alta relação de força (ou torque) por tamanho (ou peso), partidas e/ou paradas rápidas, rápida inversão de movimento, flexibilidade de instalação. Parte-se então para essa alternativa com utilização de elementos hidráulicos para este tipo de aplicação. Primeiramente, descreve-se o problema de engenharia em termos dos requisitos da massa da carga, da altura de elevação, do tempo de subida e da pressão do sistema hidráulico. Uma concepção do circuito hidráulico é apresentada. Então, realizam-se os cálculos referentes ao projeto preliminar do sistema hidráulico. A partir dos resultados destes cálculos, o circuito hidráulico é especificado a partir de catálogos de fabricantes e dos componentes disponíveis no mercado. Como resultado deste trabalho, além do projeto detalhado de um sistema hidráulico, tem-se a sistematização metodológica dos conceitos, fundamentos e orientações que podem auxiliar um engenheiro num caso prático.

A hydraulical system from the demand of drive of a device of load rise is projected. The application of a hydraulical drive in this problem is advantageous ahead of situations that demand solutions of engineering characterized by availability of high relation of force (or torque) for size (or weight), fast departures and/or stops, fast movement inversion, flexibility of installation. It has been broken then for this alternative with use of hydraulical elements for this type of application. First, the problem of engineering in terms of the requirements of the mass of the load describes, of the height of rise, the time of ascent and the pressure of the hydraulical system. A conception of the hydraulical circuit is presented. Then, one becomes fullfilled the referring calculations to the preliminary project of the hydraulical system. From the results of these calculations, the hydraulical circuit is specified from catalogues of manufacturers and the available components in the market. As results of this work, beyond the detailed project of a hydraulical system, it is had method systematization of the concepts, beddings and orientation that can assist an engineer in a practical case.

1 INTRODUÇÃO

1.1 Generalidades

Este trabalho trata do problema de concepção, projeto e especificação de um sistema hidráulico para aplicação em um dispositivo elevador de cargas. Pretende-se propor um sistema hidráulico para este problema com a aplicação de recomendações descritas LINSINGEN, 2003.

De acordo com LINSINGEN, a utilidade do sistema hidráulico é garantida pela versatilidade que a unidade de conversão secundária possui de permitir a execução de trabalho útil associado ao movimento linear, transformando-o em energia hidráulica previamente condicionada na unidade de limitação e controle em energia mecânica de saída (força) nos níveis mais variados.

Seguindo uma metodologia passo a passo, é possível dimensionar os elementos do sistema hidráulico, tais como os diâmetros do cilindro, vazão necessária do sistema, potência hidráulica necessária ao sistema e volume do reservatório.

1.2 Objetivos e metas

Descreva em termos qualitativos os objetivos do teu projeto e em seguida trace algumas metas em termos quantitativos. Se esta seção se estender por mais que três páginas, recomenda-se transformá-la em um capítulo.

O presente trabalho tem como proposta a demonstração de um projeto conceitual de um sistema hidráulico, que com a utilização de poucos elementos, podem-se realizar grandes esforços mecânicos. E para que isso seja possível, será necessária a realização do cálculo do dimensionamento de todo o sistema, através de variáveis predeterminadas de acordo com o problema apresentado. Após a realização dos cálculos será possível escolher em catálogos de fabricantes os elementos previstos.

1.3 Metodologia adotada

A metodologia adotada é composta da análise das necessidades do problema proposto em termos de requisitos de desempenho, da concepção do sistema hidráulico com a elaboração do circuito hidráulica de acordo com a norma ISO 1219, dos cálculos dos parâmetros requeridos para o bom funcionamento dos componentes do circuito e da especificação destes a partir do catálogo de fabricantes e da disponibilidade no mercado.

2 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA E CONCEPÇÃO DO SISTEMA HIDRÁULICO

2.1 Introdução

O sistema hidráulico que deve elevar uma carga de massa M = 1800 kg de uma altura de H = 1 m com tempo máximo de subida ts = 5 s. A pressão máxima do sistema não deve ultrapassar ps = 100 bar e deve ser limitada a este valor por questões de segurança. Por questões construtivas, de economia e simplicidade, foi definido que o atuador utilizado será um cilindro hidráulico de haste simples e de simples ação (ou efeito) com retorno por gravidade.

2.2 Concepção do Sistema Hidráulico

O sistema hidráulico do dispositivo de elevação de cargas é formado pelos seguintes elementos hidráulicos: um reservatório hidráulico, um filtro, uma bomba hidráulica que é acionada por um motor elétrico, uma válvula direcional 3/3 acionada por solenóide e retorno por mola, um cilindro hidráulico de haste simples e de simples ação, uma válvula limitadora de pressão e uma válvula redutora de vazão.

Figura 1 – Desenho do circuito hidráulico concebido de acordo com a simbologia definida na norma ISO 1219.

Ao ser acionada a bomba hidráulica, através do motor elétrico, o fluido hidráulico succionado do reservatório é direcionado à válvula e posteriormente ao cilindro, impulsionando o movimento do mesmo. O seu recuo é feito por efeito da própria ação da gravidade.

13 3 PROJETO PRELIMINAR DO SISTEMA HIDRÁULICO

3.1 Introdução

Este capítulo visa desenvolver o projeto preliminar de um sistema hidráulico que atenda as necessidades colocadas no objetivo proposto.

Nas seções seguintes abordar-se-ão cada componente do sistema hidráulico proposto anteriormente, dimensionados conforme LINSINGEN, 2003.

3.2 Cálculo do diâmetro interno mínimo do cilindro (Dmin)

O cálculo do diâmetro interno mínimo do cilindro inicia-se a partir dos dados propostos anteriormente, tais como força a ser exercida pelo sistema, a massa do corpo que servirá para meio de movimentação do sistema e também a pressão de trabalho. Assim, propõem-se os passos descritos abaixo. Cálculo da força necessária para elevação da carga M = 1800 kg:

Tendo encontrado o F, podemos encontrar a área do êmbolo do cilindro:

Teremos a seguinte área:

Achamos o diâmetro do êmbolo pelas fórmulas a seguir: !"#

!"# 47,46 Para a seleção do cilindro a ser usado no projeto, adotar-se-á um cilindro comercial maior e mais próximo do calculado.

3.3 Cálculo do diâmetro mínimo da haste (dh)

Pelo método de Euler, podemos obter a força de compressão axial responsável pela deformação da haste e é determinada por:

Em = módulo de elasticidade do aço, considerando 200.109 N/m c = comprimento livre de flambagem dh = diâmetro da haste Segundo o método de Euler (p. 202, LINSINGEN, 2003), para evitar as conseqüências e outros problemas de montagem, utiliza-se um coeficiente de segurança da ordem de 3,5, ou seja, a força total a ser aplicada pode ser de no máximo:

- '3,5 O valor de flambagem, c, pode ser obtido conforme tabela abaixo:

Figura 2 – Comprimento livre de flambagem conforme tio de montagem De acordo com o método de Euler, o diâmetro da haste pode ser expresso por:

Então para o cálculo do diâmetro da haste, será considerado:

Ff = F Logo,

FT = 5056,57 N Usando o valor de flambagem c da figura, c = 2L. Considerando que L = H, portanto, c= 2m. O valor para dh fica:

3.4 Cálculo da velocidade mínima de deslocamento da haste do cilindro Para o cálculo mínimo da velocidade, a equação abaixo pode ser expressa:

4 +5 Onde v, será, conforme os requisitos estabelecidos pelo sistema:

De acordo com LINSINGEN (2001), a velocidade recomendada para a durabilidade das vedações e o bom funcionamento do cilindro é de 0,1 m/s quando há grandes massas a movimentar. Portanto, recomenda-se a utilização de amortecimento hidráulico para minimizar os efeitos de choque de fim de curso contra o cabeçote ou tampa de fundo, causado pela transformação de energia cinética em energia de pressão e/ou pela inércia da massa acoplada à haste.

3.5 Cálculo da vazão necessária ao sistema

A partir da equação abaixo será possível determinar a capacidade máxima de a válvula ser utilizada no sistema. 8 4 . 8 0,2 .1,7698 .10

3.6 Cálculo da potência hidráulica necessária ao sistema

Para o cálculo da potência no sistema, têm-se como dados a pressão de trabalho e a vazão da bomba, conforme mostra a equação abaixo:

3.7 Cálculo do diâmetro da tubulação do sistema

Para a sucção a velocidade indicada: 40,5 > 1,5 7⁄

Para a seleção dos diâmetros das tubulações deste sistema, procuro-se seguir os critérios estabelecidos pela Bosch (p.31, ANDRIGHETTO, 2000), adotando-se o fluido hidráulico (óleo mineral). 8 4 .

Regime de escoamento:

Cálculo do tipo de escoamento (Número de Reynolds (Re)): ?@A2300BC> DE>F ?@G2300BHIFJI9KE5L

?@ 4.+M Considerando que:

?@ 3,58 Logo, o escoamento será laminar.

Para a pressão a velocidade indicada: 45 > 6 7⁄

Regime de escoamento:

Cálculo do tipo de escoamento (Número de Reynolds (Re)): ?@A2300BC> DE>F ?@G4000BHIFJI9KE5L

?@ 4.+M Considerando que:

?@ 15,56 Logo, o escoamento será laminar.

Para o retorno a velocidade indicada: 42 > 3 7⁄

Regime de escoamento:

Cálculo do tipo de escoamento (Número de Reynolds (Re)): ?@A2300BC> DE>F ?@G4000BHIFJI9KE5L

?@ 4.+M Considerando que:

?@ 817,10 Logo, o escoamento será laminar.

3.8 Cálculo do volume do reservatório

Seguindo as orientações de RACINE (1987), um sistema hidráulico qualquer deverá ter um volume mínimo de três vezes a vazão da bomba mais 10% da vazão dessa bomba.

4 PROJETO DETALHADO DO SISTEMA HIDRÁULICO

4.1 Introdução

Este capítulo visa demonstrar o sistema hidráulico através de catálogos padronizados existentes no mercado. Para que isso seja possível, a seleção dos elementos será feita de acordo com os resultados do dimensionado feito anteriormente no capítulo 3.

4.2 Escolha do cilindro hidráulico

Poderá ser visto maiores detalhes do cilindro no anexo A

De acordo com o diâmetro encontrado na seção 3.2, será selecionado o diâmetro maior e mais próximo do calculado. Para esse caso usaremos um cilindro do fabricante Parker tipo HB (NFPA tipo MF 6) com diâmetro de 50,8 m de simples ação. Conforme especificações do fabricante o mesmo terá amortecimento dianteiro, a montagem de flange quadrado traseiro, o tipo de guarnição “Hi-load”, alimentação NPT, vedações em Viton, rosca métrica para haste e com um curso de 1000. O código para solicitação de pedido fica: 508 C HB 2HKUVS24MC-1000.

4.3 Escolha das válvulas necessárias

A válvula direcional é selecionada diretamente em catalogo não requerendo cálculos, bastando apenas verificar se a pressão e vazão máximas são adequadas ao projeto. Conforme especificações do fabricante Bosch Rexroth, a válvula terá 3 vias, o retorno por mola, solenóide de alto rendimento, corrente alternada 230 V 50/90 Hz, com acionamento de emergência, entrada de cabo na tampa com LED, sem glicê, vedações NBR e sem furo de fixação. O código de solicitação de pedido ficará: 3WE6 6X/ EW230NDL/

Poderá ser visto maiores detalhes da válvula direcional no anexo B. Da mesma forma, a válvula de alívio e segurança que protege a bomba contra sobrecarga de pressão do sistema é selecionada. Conforme especificações do fabricante Bosch Rexroth, a válvula terá elemento de ajuste botão giratório, tamanho nominal 15, conexão roscada, pressão de ajuste até 100 bar, vedações NBR, válvula de segurança com teste como modelo. O código de solicitação de pedido ficará: DBDH15G1X/100 E Poderá ser visto maiores detalhes da válvula de alívio no anexo B.

Para a seleção da válvula redutora de vazão também não será necessário o requerimento de cálculos, sendo possível sua escolha a partir e um catálogo de fabricante. Conforme especificações do fabricante Rudick, a válvula será montada em linha, com retenção. O código de solicitação de pedido ficará: VVNC2-LCT Poderá ser visto maiores detalhes da válvula de alívio no anexo B.

4.4 Escolha das conexões e tubulações

As tubulações foram determinadas a partir do cálculo dimensionado na seção 3.7. De acordo com os diâmetros comercias, tem-se resumidamente a tabela com dados dos diâmetros do fabricante Ermeto, sendo todos os tubos usados de aço:

LINHA DIÂMETRO EXTERNO (m)

PAREDE (m) DIÂMETRO INTERNO (m)

PRESSÃO (kg/cm2) REFERÊNCIA ERMETO

Retorno 16 1,5 13 187 TN160130 Tabela 1 – Diâmetros selecionados em catálogo

Para completar a solicitação da tubulação, seria ainda necessário verificar o comprimento da canalização, porém não está prevista de quanto será.

As conexões previstas serão joelhos giratórios de aço, pois foram os que se adequaram aos diâmetros selecionados anteriormente. Serão usados na linha de pressão e sucção. Conforme catálogo Ermeto os códigos para solicitação de pedido teremos: JGA 12xM16x1,5 – para diâmetro externos de 12mm – linha de pressão JGA 16xM22x1,5 – para diâmetro externo de 16mm – linha de retorno Poderá ser visto maiores detalhes das conexões e tubulações no anexo D.

4.5 Escolha do fluido hidráulico e do filtro

Explique como escolheu e qual catálogo utilizou. Colocar em Anexo o catálogo do fabricante.

O fluido hidráulico escolhido foi baseado de acordo com a viscosidade determinada na seção 3.7, é do tipo óleo mineral, do fabricante Castrol, modelo Hyspin AWS (ISSO VG 46).

A seleção do filtro de retorno pode ser feita diretamente no catalogo verificando somente a pressão utilizada. Conforme especificações do fabricante Parker, o filtro terá vazão de 151 lpm, comprimento simples do elemento, vedação nitrílica, material “microglass I”, indicação de pressão visual, válvula bypass. O código para solicitação de pedido é o seguinte: FTB1A10QV25N16 Poderá ser visto maiores detalhes do filtro no anexo C.

4.6 Escolha da Unidade Hidráulica

A unidade hidráulica foi selecionada de acordo com os cálculos dimensionados nas seções 3.5, 3.6 e 3.8. Conforme especificações do fabricante Bosch Rexroth a unidade terá um volume de 100 litros, o material de aço carbono, indicador de ensujamento ótico-mecânico para o filtro retorno (embora já tenha sido feita a seleção do filtro de retorno, essa unidade hidráulica acompanha um filtro de retorno), sem trocador, visor de nível sem termômetro e sem contato elétrico, vedações para óleo mineral. O código de solicitação de pedido será: ABUP12100SV7/20-20NNMN. Poderá ser visto maiores detalhes da unidade hidráulica no anexo E.

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