Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva
1
Atuadores e Sistemas Hidráulicos
Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva
Aula 1
Escola Politécnica da USP
Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas
Mecânicos
Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva
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
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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...
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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:
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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;
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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.
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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
11
1
111 Qp
A
AFyP
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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:
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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:
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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.
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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.
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14 Módulo de compressibilidade efetivo (βe)
Variação volumétrica de um
sistema em função da pressão
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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).
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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.
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17 Conversão de Energia
Deslocamento Fixo
-Engrenagens;
-Parafusos
-Palhetas
-Pistões
Deslocamento Variável:
-Palhetas
-Pistões
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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
Distribuição de pressões
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19 Princípio de deslocamento por Engrenagens
Bombas de Engrenagens internas
Bomba tipo gerotor
Onde:
z = número de dentes
b = largura dos dentes
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20 Princípio de deslocamento por Engrenagens
Compensação de forças e vazamentos
Pressões elevadas,
pequena pulsação,
rendimento total
elevado e baixo nível
de ruído.
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23 Princípio de deslocamento por 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
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24 Princípio de deslocamento por Palhetas
Bomba Celular de Palhetas com deslocamento variável
Com -e < x < +e
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25 Princípio de deslocamento por Palhetas
Compensação de pressão em bomba variável
Forças de Reação na bomba
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26 Princípio de deslocamento por Pistões
Máquinas de Pistões Radiais
Motor de pistões radiais em estrela, com acesso externo e
articulação interna (sistema Düsterloch)
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27 Princípio de deslocamento por Pistões
Máquinas de Pistões Axiais
Máquinas de prato inclinado Máquinas de eixo inclinado
-Tambor rotativo
-Prato rotativo
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28 Princípio de deslocamento por Pistões
Máquinas de Pistões Radiais
Bomba de pistões radiais com compensação de pressão,
acesso interno de fluido e articulação externa dos pistões
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29 Irregularidades em Máquinas Hidrostáticas
Comportamento qualitativo
do deslocamento
volumétrico em uma
bomba de pistões de prato
inclinado.
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30 Irregularidades em Máquinas Hidrostáticas
3 Pistões 4 Pistões
6 Pistões 7 Pistões