Atuadores e Sistemas Hidráulicos

Transcrição

1 1 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 2 Hidráulica é o ramo da engenharia que estuda a aplicação de um líquido para a tecnologia de acionamento e comando Histórico 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);

3 Tecnologia de Acionamento Hidráulico 3 Sistema Hidráulico Genérico 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.

4 Campo de Aplicação da Hidráulica 4 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 5 Vantagens: 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);

6 Características dos Sistemas Hidráulicos 6 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 7 Pricípio da Prensa Hidráulica F F 2 1 A A 2 1

8 Conservação da Massa - Eq. da Continuidade 8 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. Volume de Controle Fixo Se escoamento incompressível (ideal):

9 Eq. da Continuidade aplicada à Prensa Hid. 9 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. Q y 1A1 y2a2 Potência: Prensa Hidráulica P y A 1 1F1 p1q 1 A 1

10 Acionamento Hidrostático 10 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 11 Onde Δp 1 = p s p e ; Δp 2 = p e p s ; T 1 e T 2 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 Δp 1 = Δp 2. Assim: Cálculo da Potência requerida pela bomba e pelo motor:

12 Conservação da Massa-Eq. da Continuidade 12 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: Volume de Controle Variável Onde β é o módulo de compressibilidade do fluido.

13 Módulo de compressibilidade (β l ) 13 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 (β e ) 14 Variação volumétrica de um sistema em função da pressão

15 Conversão de Energia 15 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 16 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 17 Deslocamento Fixo -Engrenagens; -Parafusos -Palhetas -Pistões Deslocamento Variável: -Palhetas -Pistões

18 Princípio de deslocamento por Engrenagens 18 Bomba e Motor de Engrenagens Externas Distribuição de pressões 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

19 Princípio de deslocamento por Engrenagens 19 Bombas de Engrenagens internas Bomba tipo gerotor Onde: z = número de dentes b = largura dos dentes

20 Princípio de deslocamento por Engrenagens 20 Compensação de forças e vazamentos Pressões elevadas, pequena pulsação, rendimento total elevado e baixo nível de ruído.

21 Princípio de deslocamento por Parafusos 21 Bomba de Parafusos

22 Princípio de deslocamento por Palhetas 22 Bomba de Palhetas

23 Princípio de deslocamento por Palhetas 23 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

24 Princípio de deslocamento por Palhetas 24 Bomba Celular de Palhetas com deslocamento variável Com -e < x < +e

25 Princípio de deslocamento por Palhetas 25 Compensação de pressão em bomba variável Forças de Reação na bomba

26 Princípio de deslocamento por Pistões 26 Máquinas de Pistões Radiais Motor de pistões radiais em estrela, com acesso externo e articulação interna (sistema Düsterloch)

27 Princípio de deslocamento por Pistões 27 Máquinas de Pistões Axiais Máquinas de prato inclinado Máquinas de eixo inclinado -Prato rotativo -Tambor rotativo

28 Princípio de deslocamento por Pistões 28 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 29 Comportamento qualitativo do deslocamento volumétrico em uma bomba de pistões de prato inclinado.

30 Irregularidades em Máquinas Hidrostáticas 30 3 Pistões 4 Pistões 6 Pistões 7 Pistões

31 Irregularidades em Máquinas Hidrostáticas 31 Grau de irregularidade em função do número de pistões e paridade