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13/08/13 - 13:13

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Hidráulica Industrial e Móbil O braço forte da automação

Neste artigo abordamos os princípios fundamentais da Hidráulica e, especificamente, da Óleo-hidráulica. Como utilizar a transmissão de energia através dos fluidos líquidos e quais os benefícios e cuidados que se devem observar são os pontos aqui abordados. Considerada o braço forte da automação, a hidráulica industrial é um segmento tecnológico fundamental nas mais diversas áreas industriais.

Em muitos casos, a Hidráulica coloca-se como a única alternativa viável para atender aos requisitos de projetos em diferentes segmentos industriais e veiculares. Fazendo-se presente em muitos setores industriais e de transporte, notadamente onde existe a necessidade de se exercerem grandes forças, a hidráulica reúne características únicas, o que faz dela um ramo da automação extremamente versátil e de aplicação ampla.

O QUE É HIDRÁULICA ?

É parte da Mecânica dos Fluidos, área da Física que estuda o comportamento de líquidos e gases em movimento e em repouso. Ciência conhecida há muito tempo, pois na Bíblia há citações do uso do ar na fabricação e depuração do ouro. A Mecânica dos Fluidos e particularmente a Hidráulica sofreram grandes avanços na segunda metade do século passado devido à necessidade de incremento de produção industrial em todo o mundo, especialmente após a 2ª Guerra Mundial.

A Hidráulica, que deriva do grego “hydor” = água, unida a “aulos” = tubos é, portanto, a ciência que se dedica ao estudo do comportamento dos líquidos em movimento e em repouso.

Referindo–se à Hidráulica no campo das máquinas industriais e aplicações móveis (veículos que possuem equipamentos hidráulicos incorporados tais como máquinas agrícolas, tratores, aeronaves, etc.), devemo sentender esse campo como sendo o conhecimento das leis que regem o transporte, a conversão de energia, a regulagem e o controle do fluido agindo sobre suas variáveis (pressão, vazão, temperatura, viscosidade).

A Hidráulica divide–se em dois segmentos básicos:

Hidrocinética: Estuda o comportamento de fluidos em alta velocidade (energia cinética) e seu aproveitamento, convertendo a energia hidráulica em mecânica. Nessa área, um exemplo elucidativo é a turbina que movimenta um gerador em uma usina hidroelétrica. Como o próprio nome diz (hidro + elétrica), a energia da água em movimento será convertida em energia mecânica, e esta em energia elétrica.

Hidrostática: Estuda o comportamento dos líquidos em repouso e/ou em baixa velocidade e seu aproveitamento. Essa área é o principal foco do nosso estudo, pois é através de sistemas hidrostáticos que obtemos significativos ganhos de força e precisão de movimentos, duas variáveis que só a Hidráulica é capaz de unir e que são fundamentais para as exigências atuais em projetos de automação industrial e aplicações veiculares.

Nos dois campos são válidas as mesmas leis quanto ao aproveitamento da energia, perdas, resistência ao escoamento e alterações de pressão e vazão quando da mudança da secção de passagem do fluido.

Por que obtemos elevadas forças utilizando equipamentos hidráulicos? Porque a hidráulica trabalha com amplificação de forças através da ampliação de áreas de atuação do fluido.O princípio é simples, observe o esquema da figura 1.

Se exercermos uma força de 100 kgf na área 1 que é de 100 cm2, obteremos assim uma pressão de 1kgf/ cm2. Pois: PRESSÃO = FORÇA/ÁREA

Esta pressão então é transmitida através do líquido pelo duto até a área 2, que é de 200 cm2, ou seja, o dobro da área 1. Como conseqüência, a força de saída também será o dobro da força de entrada. Dobramos a força, apenas dobrando a área de atuação do fluido. Dessa maneira, utilizando-se de elevadas pressões, os equipamentos hidráulicos possibilitam o exercício de grandes forças nos mais diversos campos de aplicação da automação.

Aliada a essa característica, outra importante vantagem dos sistemas hidráulicos é a precisão de movimentos obtida devido às características peculiares dos líquidos. Eles são praticamente incompressíveis. Isto possibilita a execução de movimentos lentos e rápidos com extrema precisão. Esta característica não se faz presente quando o fluido é um gás (ar comprimido, por exemplo), pois uma das peculiaridades principais dos gases é a compressibilidade.

ANALOGIA ENTRE DIVERSOS TIPOS DE ENERGIA De COMANDO E MOVIMENTO

A hidráulica pode ser comparada a outros tipos de energia quando temos que decidir qual o melhor meio para executar uma tarefa dentro de um projeto específico. Em linhas gerais, quando comparada a outras formas de energia, ela apresenta pontos fortes e pontos fracos e a decisão deve se orientar levando em conta a necessidade e os custos envolvidos em cada aplicação. Lembramos que é sempre possível associar vários tipos de energia, obtendo o melhor de cada uma e, por conseqüência, um melhor rendimento de todo o conjunto. Observe na tabela 1 a comparação da hidráulica com outros tipos de energia.

O QUE É ÓLEO-HIDRÁULICA?

Entendendo-se Hidráulica como o estudo da utilização dos fluidos líquidos, a Óleo-hidráulica é o campo que estuda especificamente as aplicações baseadas no uso do óleo mineral derivado do petróleo. Ele é o responsável pela transmissão de energia e outras funções como veremos adiante. Outros fluidos especiais também são utilizados para casos específicos, como os fluidos resistentes ao fogo, fluidos sintéticos ou ainda fluidos aditivados, os quais recebem em sua formulação componentes que irão alterar as suas características quando em regime de trabalho obtendo performances superiores em termos de vida útil, regularidade e ainda eliminando efeitos indesejáveis como espumação e outros.

O fluido hidráulico tem diversas funções além de transmitir a energia hidráulica. É através dele que o sistema é lubrificado, pois grande parte dos elementos presentes em um circuito hidráulico trabalha com contato metal-metal, e nessa condição a lubrificação é fundamental. Outra função desse fluido é promover o arraste de partículas presentes no interior dos dutos, fazendo assim uma “limpeza” do sistema. A quarta função do fluido hidráulico é promover o arrefecimento do sistema, pois ao retornar para o reservatório o fluido “descansa” antes de voltar para o sistema, obtendo-se assim uma significativa troca térmica.

Dentre as características do fluido hidráulico, a mais importante é a viscosidade que significa a resistência do líquido ao escoamento. Quanto mais resistente ao escoamento, dizemos que mais viscoso é o óleo (também chamado óleo grosso); em contrapartida quanto menos resistente ao escoamento menos viscoso é o óleo (óleo fino).

Durante o regime de trabalho, a viscosidade do óleo se altera em função da temperatura do sistema. Quanto mais alta a temperatura, menor a viscosidade. Para controlar a temperatura e, conseqüentemente, a viscosidade do óleo, muitos sistemas hidráulicos possuem sensores de temperatura, os quais informam aos comandos eletrônicos qual é a situação do sistema e, a partir dessa informação são acionados resfriadores de óleo (coolers) a fim de manter o sistema em condições ideais de trabalho ou o mais próximo disso. Na figura 2 demonstramos de forma esquemática um teste prático para definição da viscosidade desenvolvido por Saybolt.

DESCRIÇÃO DO ENSAIO

O líquido a ser medido em sua viscosidade é colocado em uma cuba, a qual está envolvida em um banho de óleo com temperatura controlada. Este óleo tem como função manter todos os líquidos submetidos ao ensaio nas mesmas condições físicas. Este ensaio é realizado com o banho de óleo a duas temperaturas diferentes para que se possa avaliar o comportamento do líquido ensaiado em diferentes situações. Desta comparação, nasce um índice denominado índice de viscosidade (IV).

A válvula é aberta ao mesmo tempo em que o cronômetro é disparado. Após o fluido atingir o ponto determinado no vasilhame (60 ml), o cronômetro é interrompido e faz-se a leitura do tempo necessário para a passagem do fluido. Este resultado é então comparado com outros diversos líquidos para se estabelecer a viscosidade relativa.

Pergunta comum: É possível utilizar-se água em sistemas hidráulicos? Sim, é possível, porém com uma série de desvantagens em relação ao óleo mineral. A mais evidente é a capacidade altamente corrosiva da água, o que exigiria sistemas especiais anticorrosão, com custos elevados. Além desse fator, a água tem baixíssimo poder lubrificante, o que impediria que cumprisse esta importante tarefa e para a qual o óleo mineral é perfeitamente adequado. No entanto, pesquisas recentes têm sido levadas adiante na Europa e nos EUA para viabilizar o uso da água como fluido hidráulico em aplicações industriais.

ESTRUTURA DE UM SISTEMA HIDRÁULICO

Em um sistema hidráulico inicialmente transforma-se energia elétrica ou térmica em mecânica através de um motor elétrico ou a diesel, o qual aciona a bomba hidráulica. Esta, por sua vez, transforma a energia mecânica em energia hidráulica. Nesta forma de energia o líquido é conduzido através de dutos (tubos rígidos ou mangueiras) passando por vários elementos presentes no circuito hidráulico, cada um com uma função específica.

A potência hidráulica gerada sob a forma de pressão e vazão é influenciada na sua grandeza e direção por diferentes válvulas e pelos dispositivos de comando e regulagem das bombas hidráulicas.

Na figura 3 estão presentes todos os componentes essenciais em um sistema hidráulico, quer seja em aplicações industriais ou veiculares.

CARACTERÍSTICAS DOS EQUIPAMENTOS ÓLEO - HIDRÁULICOS

Os equipamentos que se destinam a aplicações óleo-hidráulicas têm características extremamente importantes e específicas desse segmento da automação. É importante conhecer algumas delas para entender como estes equipamentos trabalham e os cuidados a serem tomados no desenvolvimento de um projeto envolvendo componentes hidráulicos.

1ª) Segurança: Esta exigência é intrínseca a este tipo de equipamento. O nível médio de pressão de trabalho desses equipamentos é da ordem de 150 a 210 bar (+/- 200 atm). Estamos nos referindo a uma pressão em média duzentas vezes maior do que a pressão atmosférica.

É importante salientar que a pressão pode, em casos especiais, atingir níveis de até 1000 bar como, por exemplo, em aplicações de testes de segurança.

Nesses níveis de pressão, a confiabilidade é fator fundamental para que um equipamento atenda às exigências do mercado. Para poder suportar estes níveis de carga os componentes hidráulicos são fabricados com carcaça de ferro fundido ou aço-carbono com especificações rigorosas quanto à porosidade oriunda do processo de fundição. Alguns produtos como bombas de engrenagens são fabricadas com carcaça de alumínio.

2ª) Robustez: As matérias-primas aplicadas conferem aos equipamentos hidráulicos uma segunda característica importante que se refere à robustez construtiva. Os materiais têm tido um desenvolvimento acelerado onde se busca cada vez mais melhoria de performance, redução de peso e de consumo de energia; no entanto, devido às altas exigências em termos de força e de pressão, a matéria-prima básica ainda é o aço, o que confere aos produtos um peso relativamente elevado. (Vale lembrar que 1 litro de aço = 10 kg).

3ª) Simplicidade construtiva: Os equipamentos hidráulicos são construtivamente simples. Em muitos casos os componentes são montados com contato metal-metal, não existindo nenhum elemento de vedação entre partes móveis e fixas de uma válvula, por exemplo. O próprio fluido faz o papel de elemento de estanqueidade entre as partes.

Esta característica de simplicidade traz agregada uma outra que é a precisão dimensional dos seus componentes, onde as tolerâncias de fabricação são extremamente rígidas para garantir o bom funcionamento do conjunto. Apresentamos a seguir, três componentes fundamentais presentes em um circuito hidráulico, procurando ilustrar esta característica.

BOMBA HIDRÁULICA DE ENGRENAGENS

A bomba de engrenagens (figura 4) é a mais simples utilizada em circuitos óleo-hidráulicos. Seu funcionamento baseia-se no movimento de duas engrenagens, sendo uma acionada por um motor elétrico ou a diesel (chamada engrenagem motora) e outra engrenagem que é arrastada pela primeira (chamada movida).