tcc final- felipe alves

Engenharia Mecânica Automação e Sistemas

PROJETO DE BANCADA HIDRÁULICA DE TESTES DE

VÁLVULAS DIRECIONAIS

Felipe dos Santos Alves

Itatiba- São Paulo- Brasil

Dezembro de 2009

ii

Engenharia Mecânica Automação e Sistemas

PROJETO DE BANCADA HIDRÁULICA DE TESTTES DE



Monografia apresentada à disciplina “Trabalho de Conclusão de Curso II”, do Curso de Engenharia mecânica- Automação e Sistemas da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Amaury Olívio, como exigência para conclusão do curso de graduação.

Orientador: Prof. Amaury Olívio

Co-orientador: Prof. Dr. Guilherme Bezzon

Itatiba – São Paulo – Brasil

Dezembro de 2009

iii

PROJETO DE BANCADA HIDRÁULICA DE TESTES DE



Monografia defendida e aprovada em 19 de Dezembro de 2009 pela

Banca Examinadora assim constituída:

Prof. Amaury Olívio

USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.

Prof. Eduardo Balster Martins


Prof. Paulo Silveira


iv

A minha mãe e meus padrinhos, sem os quais não

chegaria até aqui.

Sou eternamente grato a todos.

v

Agradecimentos

Agradeço primeiramente ao Professor Amaury Olívio, meu orientador, que

acreditou em mim e incentivou-me para a conclusão deste trabalho, face aos

inúmeros percalços do trajeto.

Agradeço também ao Professor Guilherme Bezzon, um companheiro de

percurso e de discussões profícuas, dentro e fora do contexto deste trabalho,

agraciando-me incontáveis vezes com sua paciência, conhecimento e amizade.

Vários “entendimentos” não teriam sido possíveis sem a colaboração dos meus

amigos Vanderson Silva e Rogério Pagan Góes.

Boa parte da minha motivação no ambiente acadêmico devo, sem dúvida a

ajuda e entusiasmo dos meus amigos Danilo Marques, Fábio Luciano, Lélio

Wagner, Daniel Vaz, Adler Dias, Marília Gabriela e Rafael Cavenatti.

Eu agradeço fraternalmente a todos.

vi

Sumário

Lista de figuras..........................................................................................................viii

Lista de tabelas............................................................................................................ix

Resumo..........................................................................................................................x

1 Introdução...................................................................................................................1

1.1 Objetivo...........................................................................................................2

1.2 Justificativa.....................................................................................................2

2 Revisão bibliográfica.................................................................................................3

2.1 Hidráulica............................................................................................................3

2.2 Dimensionamento de tubulações e perdas de carga.........................................4

2.3 Circuitos hidráulicos...........................................................................................6

2.4 Cilindros..............................................................................................................7

2.5 Válvulas direcionais............................................................................................8

2.5.1 Válvula 4/3 vias com centro normal fechado.........................................10

2.5.2 Válvula 4/3 vias com centro normal com recirculação de vazão da bomba.............................................................................................................10

2.5.3 Válvula 4/3 vias com centro normal aberto............................................11

2.5.4 Válvula 4/3 vias com centro de trabalho despressurizado....................12

2.5.5 Válvula 4/3 vias com vias de centro de trabalho pressurizadas............12

2.5.6 Válvula 4/2 vias com comutação em “a”.................................................13

2.6 Solenóides........................................................................................................13

2.7 Válvula limitadora de pressão..........................................................................14

2.8 Controlador lógico programável.......................................................................15

3 Metodologia..............................................................................................................16

3.1 Determinação da pressão de trabalho da bancada..........................................22

3.1.1 Vazão máxima na tubulação..................................................................22

3.1.2 Volume de absorção...............................................................................23

3.1.3 Determinação do ponto de trabalho do motor hidráulico........................23

3.1.4 Determinação das perdas de carga.......................................................24

3.1.4.1 Comprimentos equivalentes.........................................................24

vii

3.1.4.2 Fator de atrito (Ψ).........................................................................24

3.1.4.3 Perda de carga na linha de pressão.............................................25

3.1.4.4 Perda de carga nas válvulas direcionais......................................25

4 Conclusão.................................................................................................................27

Referência Bibliográfica.............................................................................................28

Apêndice 1- Detalhamento da placa de ligação usinada em uma barra de

alumínio .......................................................................................................................29

viii

Lista de figuras

Figura 2.1: modelo esquemático de um circuito hidráulico completo.............................7

Figura 2.2: Cilindro hidráulico em corte...........................................................................8

Figura 2.3: Válvula direcional..........................................................................................8

Figura 2.4: Figura esquemática de uma válvula.............................................................9

Figura 2.5: designação de válvulas direcionais conforme o número de orifícios e

posições funcionais.........................................................................................................9

Figura 2.6 símbolo da válvula direcional 4/3 vias com centro normal fechado.............10

Figura 2.7: símbolo da válvula direcional 4/3 vias com centro normal com recirculação

de fluido.........................................................................................................................11

Figura 2.8: símbolo da válvula direcional 4/3 vias com centro normal aberto..............11

Figura 2.9: símbolo da válvula direcional 4/3 vias com centro de trabalho

despressurizado............................................................................................................12

Figura 2.10: símbolo da válvula direcional 4/3 vias com vias de centro de trabalho

pressurizados................................................................................................................12

Figura 2.11: símbolo da válvula direcional 4/2 vias com comutação em

“a”..................................................................................................................................13

Figura 2.12: Figura esquemática de um solenóide e suas linhas de campo

magnético......................................................................................................................14

Figura 2.13: válvula limitadora de pressão....................................................................15

Figura 3.1: vista superior da placa de ligação. .............................................................18

Figura 3.2: vista superior em corte da placa de ligação................................................19

Figura 3.3: exemplo de circuito hidráulico da bancada com válvula direcional de centro

normal com recirculação do fluido.................................................................................19

Figura3.4: vistas do modelo 3D da placa de ligação e válvula direcional montadas...20

ix

Lista de tabelas

Tabela 2.1 Velocidades recomendadas..........................................................................4

Tabela 2.2: Fator de atrito...............................................................................................6

Tabela 2.3: componentes da válvula limitadora de pressão.........................................15

Tabela 3.1: síntese resumida do funcionamento das válvulas direcionais...................17

Tabela 3.2: cronograma sugerido para o desenvolvimento do projeto.........................21

Tabela 3.3: relação das singularidades na instalação...................................................24

Tabela 3.4 Relação das curvas de perda de carga nas válvulas direcionais conforme o

tipo.................................................................................................................................26

x

Resumo

O trabalho consiste no desenvolvimento de um projeto para uma bancada

de testes de válvulas hidráulicas direcionais para aprimorar o aprendizado em

hidráulica por parte dos alunos da Universidade, tendo em vista que,

atualmente, a bancada de hidráulica é bastante limitada tanto do ponto de vista

funcional quanto no que diz respeito à sua própria tecnologia pois, a mesma

utiliza válvulas e peças que estão se tornando obsoletas na indústria. Deste

modo, faz- se necessário uma atualização na bancada. O projeto visa o

aproveitamento das válvulas direcionais doadas pela empresa “Rexroth” para

aprimoramento da bancada. A bancada conta com uma válvula direcional

acoplada a sua respectiva placa de ligação que fará a distribuição do fluido

para as linhas adjacentes do circuito de acordo com o tipo de centro da válvula

em uso. Com base nas informações de pressão e vazão nas linhas de entrada,

saída e distribuição do fluido para o atuador, é possível determinar o tipo de

centro da válvula e suas funções de distribuição para o circuito. Com isso, é

possível adquirir os componentes descritos no trabalho para a realização da

montagem da bancada de testes na universidade.

Palavras- chave: Hidráulica, projeto, válvula direcional

1

1. Introdução

Atualmente, a hidráulica tem ocupado um espaço de extrema importância

na engenharia e é responsável por grandes avanços na indústria e maquinários

em geral.

A palavra “hidráulica” provém do grego hydor (água) e aulos (condução/

aula/ tubo), ou seja, a condução de um fluido em uma tubulação. O projeto trata

da óleo- hidráulica, que tem o óleo como fluido de trabalho.

A hidráulica é, portanto, uma área de conhecimento de vital importância

para estudantes de diversas áreas da engenharia e seu conhecimento teórico e

prático torna- se fundamental para a formação acadêmica.

Pode- se dividir a hidráulica em três principais frentes de estudo, a

hidrostática que estuda os fluidos parados, a hidrocinética que trata dos fluidos

em movimento levando em consideração os efeitos da velocidade e a

hidrodinâmica que estuda os fluidos levando em consideração todas as forças

envolvidas no processo de escoamento (gravidade, tensão tangencial,

viscosidade, compressibilidade entre outras).

A hidráulica pode ser definida como um meio de transmitir energia, para

tanto, é necessária uma energia mecânica inicial, essa energia será transmitida

pelo fluido que, através de um diferencial de pressão, deverá realizar algum

trabalho em outro ponto do sistema, a força gerada nesse ponto de trabalho é

proporcional a força inicial aplicada (princípio da conservação de energia). Mais

adiante esses princípios serão explanados mais detalhadamente.

As válvulas direcionais, que serão utilizadas para o projeto, são,

basicamente, direcionadoras de fluxo do fluido, permitindo e controlando a

passagem do mesmo no circuito de acordo com suas entradas/ saídas

denominadas “vias” e “posições”. Elas tem por função promover o isolamento

ou a ligação entre tubulações adjacentes e controlar a pressão nessas

tubulações controlando a propagação do fluido em todo o sistema.

2

1.1 Objetivo

O presente trabalho visa projetar uma bancada hidráulica para o

reconhecimento de centros de válvulas direcionais.

A bancada contribuirá para o entendimento dos principais princípios da

hidráulica, acelerando, devido a demonstrações práticas, o aprendizado desses

fundamentos e aumentando a eficácia das aulas de hidráulica, propiciando

ainda uma melhor visão do funcionamento e aplicações na indústria e tornando

as aulas mais interessantes.

1.2 Justificativa

A justificativa para a realização do trabalho é fundamentada na

necessidade de um aprimoramento dos equipamentos hidráulicos da

Universidade, o aproveitamento da doação de válvulas direcionais da empresa

Rexroth e também o aprimoramento do conhecimento do autor na área de

hidráulica através do desenvolvimento deste projeto.

3

2. Revisão Bibliográfica 2.1 Hidráulica

A hidráulica parte do conceito de se realizar um trabalho através do esforço

de um fluido. Através da compressão ou descompressão do mesmo em

ambientes confinados tem uma maneira de mover ou imprimir energia em um

sistema através da movimentação ocasionada pelo diferencial de pressão no

ambiente onde se encontra o fluido essa técnica tem como base o princípio da

conservação de energia que mostra que a energia não pode ser criada nem

destruída, apenas transformada em outras formas de energia. Com base nesse

princípio e no que diz respeito a sistemas conservativos pode- se dizer que: [1]

�� = ��

Onde:

EMi= Energia mecânica inicial

EMf= Energia mecânica final

Em um sistema hidráulico ideal, temos um estado puramente conservativo

de energia, onde não há dissipações para o meio e toda a energia aplicada

inicialmente é transferida integralmente ao longo do fluido.

Mesmo sabendo que, na maioria dos casos há dissipação de energia em

forma de calor para o meio devido ao atrito provocado pela viscosidade do

fluido e o sistema no qual se encontra, podemos dizer que os sistemas

hidráulicos, além de bastante versáteis, são muito práticos em aplicações na

engenharia em geral [2,3]. Dessa forma e, devido a essas e outras

propriedades, podemos dizer que a hidráulica tem uma vital importância na

engenharia moderna, possibilitando a realização de trabalhos e propiciando

avanços significativos na indústria, sendo responsável por grandes saltos no

desenvolvimento tecnológico nas máquinas e em outros processos

industriais.[1]

Em geral, para o dimensionamento de sistemas hidráulicos, faz- se uso da

equação de energia para volumes de controle, essa equação prevê todas as

Equação 2.1

4

energias e características físicas do fluido e do sistema pelo qual o fluido irá

atuar.

�� + � + �²�� − �� + �� = �� + �� + ��²��

Onde:

Z 1e Z2: referenciais de altura para os pontos que pretendemos estudar o

fluido.

P1 e P2: referenciais de pressão de trabalho do fluido em cada um desses

mesmos pontos.

ɣ: peso específico do fluido de trabalho.

��: Energia cinética do fluido de trabalho em cada um dos pontos.

Hf��: perda total de carga do fluido durante o processo.

Hb: Carga da bomba necessária para a realização do trabalho do fluido nas

condições desejadas. [1]

2.2 Dimensionamento de tubulações e perdas de carga

A tabela a seguir apresenta as velocidades recomendadas para a

tubulação no projeto.

Para estabelecer os diâmetros mínimos necessários às tubulações utiliza-

se a seguinte expressão:

�� = � �0,015. #. $

Equação 2.2

20 50 100 >200

tubulação de pressão 300 400 500 600

tubulação de retorno

tubulação de sucção

tubulaçãopressão (bar)

300

100

velocidade (cm/ s)

Tabela 2.1 Velocidades recomendadas [1].

Equação 2.3 [1]

5

Onde:

• Q= Vazão máxima do sistema (l/ min); • v= velocidade recomendada para a tubulação (cm/ s) (conforme

tabela 2.1); • dt= diâmetro interno do tubo (cm); • 0,015= fator de conversão.

Cálculo do tamanho nominal da bomba hidráulica

%& = 1000 ∗ �)* ∗ *+

Onde:

• Vg= volume de absorção (cm³/ rotação); • QB= Vazão da bomba(l/ min); • n= rotação (900 a 1800 RPM); • nv= rendimento volumétrico (0,91- 0,93).

A equação para a obtenção das perdas de carga distribuída e localizada

em uma tubulação com conexões é dada por:

∆- = . ∗ 5 ∗ /� ∗ 0 ∗ $²�� ∗ 10�1

Onde:

• Ψ= Fator de atrito (adimensional);

• ρ= massa específica do fluido (kg/ m³);

• v= velocidade de escoamento do fluido recomendada (cm/ s);

• dt= diâmetro interno do tubo comercial (cm);

• Lt= comprimento total da tubulação (comprimento da tubulção

retilínea e dos comprimentos equivalentes das singularidades) (cm);

• ∆P= queda de pressão (bar);

• 2�13= Fator de conversão.

Equação 2.4 [1]

Equação 2.5 [1]

6

O fator de atrito pode ser determinado pela tabela 2.2.2 conforme

apresentado abaixo:

Reynolds:

45 = $. ��6

Onde:

v= velocidade do fluido (cm/ s);

dt= diâmetro interno do tubo (cm);

ϑ= Viscosidade cinemática do fluido (St).

2.3 Circuitos hidráulicos

Um circuito hidráulico nada mais é do que o esquema hidráulico a ser

utilizado pelo sistema para o acionamento dos dispositivos a serem

empregados para a realização da tarefa inicialmente proposta.[4]

Após a determinação dos parâmetros de trabalho, antes mesmo do

dimensionamento da bomba hidráulica, é esquematizado o circuito a fim de

determinar as primeiras características para o correto dimensionamento do

sistema conforme exemplificado na figura 2.1.

64/Re

75/Re

90/Re

Ψ

para tubos rígidos e temperatura constante

Para tubos rígidos e temperatura variável ou

tubos flexíveis e temperatura constante

Para tubos flexíveis e temperatura variável

Tabela 2.2: Fator de atrito [1].

Equação 2.6: número de Reynolds [1].

7

2.4 Cilindros

Os cilindros são, sem dúvida, os principais atuadores de um sistema

hidráulico, sendo, por vezes, um fator determinante na designação das

condições de trabalho e potência da bomba. [3]

São utilizados para a realização dos mais diversos trabalhos, tais como,

elevação, rotação, tração, prensagem, etc. A figura 2.2 mostra um esquema em

corte de um cilindro hidráulico.

Figura 2.1: modelo esquemático de um circuito hidráulico completo. Em vez de desenhos em corte utilizam- se símbolos normalizados para discriminar o funcionamento dos aparelhos. As tubulações são representadas por simples traços. [3]

8

2.5 Válvulas direcionais

As válvulas direcionais são utilizadas em sistemas hidráulicos para

direcionar o sentido do fluxo de fluido bem como controlar a pressão na

tubulação adjacente, possibilitando diversas formas de acionar os atuadores do

sistema (cilindros ou motores). Seu acionamento pode ser dado de maneira

mecânica, manual ou elétrica .[3]

Devido ao fato do presente estudo tratar de válvulas acionadas

eletricamente, as mesmas serão estudadas com maior profundidade ao longo

deste trabalho.

Figura 2.3:

Válvula direcional. [3]

Figura 2.2: Cilindro hidráulico em corte. [3]

9

As válvulas direcionais são designadas de acordo com o número de

posições e vias que apresentam, a seguir, uma breve explanação de definição

e simbologia de válvulas direcionais hidráulicas extraído.

Figura 2.5: designação de válvulas direcionais conforme o número de orifícios e posições funcionais. [3]

Figura 2.4: Figura esquemática de uma válvula

10

Devido aos diferentes tipos de centro as válvulas direcionais se comportam de maneiras diferentes, proporcionando várias respostas com relação à velocidade do fluido e pressão em suas saídas. Segue uma breve explanação desses comportamentos com relação às válvulas que estão presentes atualmente no laboratório de hidráulica.

2.5.1 Válvula 4/3 vias com centro normal fechado

A figura 2.6 mostra o símbolo que designa esse tipo de válvula.

A pressão é registrada apenas na entrada de fluido (P), correspondente a pressão fornecida pela bomba do circuito. Não Deve haver vazão em nenhuma das outras saídas de fluido da válvula, portanto, na sua posição normal, os medidores de vazão não devem registrar fluxo de fluido em nenhuma das saídas e nem na entrada “P”.

Quando acionada, a pressão no ponto “P” deve diminuir em função do fluxo do fluido no circuito e, se a posição for “P-A, B-T”, deverá ocorrer a incidência de um registro maior de pressão em “P” do que em “A” e, um pequeno registro de pressão na tubulação em “B” e nenhuma pressão em “T” o que significa que o fluido está percorrendo a tubulação corretamente.

Se a posição for “P-B, A-T”, deverá ocorrer uma pressão maior em “P” e menor em “B”, as pressões em “A” e “T” devem estar próximas a zero e, em todas as condições, as vazões devem se manter constantes e com pequenas diferenças entre si devido às condições do circuito e das perdas de carga a qual o mesmo está submetido.

Figura 2.6: símbolo da válvula

direcional 4/3 vias com centro

normal fechado.

11

2.5.2 Válvula 4/3 vias com centro normal com recirculação de vazão da bomba

A figura 2.7 mostra o símbolo dessa válvula onde os medidores de vazão devem registrar fluxo de fluido em “P” e “T” para qualquer tipo de acionamento, sendo que, neste tipo de centro,também não se registra a ocorrência de pressões elevadas nas linhas de alimentação de fluido como nas de distribuição.

Quando o acionamento for “P-A, B-T” deverá ser registrado pelo manômetro, a ocorrência de pequenos diferenciais de pressão nas linhas “P” e “A” e na linha “B” um pequeno acúmulo de pressão na linha “B”, esses acúmulos se devem ao fato das possíveis perdas de carga nas linhas e não devem ser muito altos.

Já para o acionamento “P-B, A-T” deve-se observar a ocorrência de pressão maior nas linhas “P” e “B”, um diferencial de pressão bem pequeno em “A” e nenhuma ou pouca pressão em “T”.

Vale lembrar que, para esse caso, assim como todos os outros, a vazão deve se manter constante em todos os pontos na linha mas não necessariamente a mesma, pois, pode ocorrer que, devido às perdas de carga provenientes do circuito hidráulico, haja um “atraso” nas respostas de pressão e vazão nos instrumentos do circuito.

2.5.3 Válvula 4/3 vias com centro normal aberto

Figura 2.8: símbolo da válvula

direcional 4/3 vias com centro

normal aberto.

Figura 2.7: símbolo da válvula direcional 4/3 vias

com centro normal com recirculação de fluido.

12


Neste tipo de centro observa- se que, para sua posição normal deverá haver um fluxo constante de fluido que será registrado pelos medidores de vazão. Conseqüentemente, os manômetros deverão registrar uma baixa incidência de pressão.

Para os outros casos, o comportamento dos instrumentos de precisão deverão se comportar da mesma forma.

2.5.4 Válvula 4/3 vias com centro de trabalho despressurizado

Aqui, conforme mostra a figura 2.9, observa- se que, devido ao fato do acesso “P” estar isolado dos outros pontos, apenas nele haverá pressão (correspondente à pressão da linha) e, não deverá haver nenhum tipo de vazão em nenhuma das vias, caso isso ocorra, deve- se observar indícios de vazamento em algum ponto da linha ou na própria válvula direcional.

2.5.5 Válvula 4/3 vias com vias de centro de trabalho pressurizadas

Figura 2.9: símbolo da válvula direcional 4/3 vias com

centro de trabalho despressurizado.

Figura 2.10: símbolo da válvula direcional 4/3 vias

com vias de centro de trabalho pressurizados.

13

Neste caso, os comportamentos dos medidores de pressão deverão registrar uma pressão constante nas linhas “P”, “A” e “B”, conforme mostra a figura 2.10, e nenhuma pressão em “T”, para todas as linhas também deve- se observar a não ocorrência de vazão para sua posição normal.

2.5.6 Válvula 4/2 vias com comutação em “a”


Para a posição “P-A, B-T”, obtêm- se vazão em todas as vias até o posicionamento final do cilindro, durante esse processo, a pressão deverá cair significativamente e, quando o atuador estiver no fim de curso, deverá ocorrer a situação inversa, ou seja, pressão igual à do circuito em “P-A” e vazão igual a zero em todas as vias. A ocorrência de vazão enquanto o atuador estiver parado no fim de curso denota a ocorrência de vazamento na linha.

Quando acionada (“P-B, A-T”), deverá ocorrer, durante a ação do atuador, o mesmo comportamento, mas com o comportamento contrario do mesmo.

2.6 Solenóides

O acionamento elétrico em uma válvula direcional é feito através de um

solenóide. Trata- se de um dispositivo que cria um campo magnético através

da condução de eletricidade em espiras de um material condutor. Esse campo

tem a capacidade de acionar um “relé”, o mesmo é responsável pelo

acionamento da válvula direcional. [1]

Obtém-se um solenóide quando um fio é enrolado sob a forma de uma

bobina. Aplicando uma corrente elétrica neste fio condutor ele irá gerar um

Figura 2.11: símbolo da válvula direcional

4/2 vias com comutação em “a”.

14

campo magnético ao redor e no interior do solenóide. O campo magnético no

seu interior é uniforme e as linhas do campo são paralelas ao seu eixo. O

campo do solenóide é bem semelhante ao campo de um ímã em forma de

barra, onde a extremidade por onde saem as linhas de campo é o pólo norte, e

a extremidade por onde entram as linhas de campo é o pólo sul. [6]

Figura 2.12: Figura esquemática de um solenóide e suas linhas de campo magnético. [6]

2.7 Válvulas limitadoras de pressão

A pressão máxima do circuito hidráulico pode ser controlada com o uso de

uma válvula limitadora de pressão normalmente fechada. Com a via primária

da válvula conectada à pressão do sistema, e a via secundária conectada ao

tanque, o carretel no corpo da válvula é acionado por um nível predeterminado

de pressão, e neste ponto as vias primária e secundária são conectadas, e o

fluxo é desviado para o tanque. [5]

A figura 2.13 mostra o desenho de uma válvula limitadora de pressão e a

tabela 2.3, seus respectivos componentes.

15

1. Cone de vedação 2. Sede da válvula

3. Mola 4. Botão de ajuste

5. Encaixe do parafuso 6. Porca de trava

2.8 Controlador lógico programável

Os CLP’s são unidades que têm, por finalidade, estabelecer o controle e

lógica de um determinado processo, para tanto, utiliza- se de um sistema de

programação capaz de realizar contagens de tempo e expressões aritméticas

baseados em um controle de memória e lógica. As entradas e saídas de dados

são feitas através de “portas” localizadas no aparelho, com base na admissão

de dados externos, o processamento das informações é feito de acordo com a

lógica inicialmente implantada pelo seu programador e, conseqüentemente, as

saídas levam as informações devidamente processadas adiante no processo.

[7,8]

Os CLP’s são amplamente utilizados na indústria em geral por serem

extremamente práticos para funções de controle e por sua flexibilidade com

respeito a sua programação. [7]

Figura 2.13: válvula

limitadora de pressão. [5]

Tabela 2.3: componentes da válvula limitadora de pressão. [5]

16

3 Metodologia

Deve ser colocado um manômetro e um medidor de vazão em cada uma das vias de alimentação da placa de ligação, afim de levantar os dados para a definição dos centros que estão sendo testados.

O manômetro deve ser do tipo padrão para teste e a vazão será mensurada através de uma placa de orifício.

Através das leituras obtidas pelos instrumentos, deve- se estabelecer a relação dos mesmos com descrição de funcionamento descrita na tabela 3.1 deste trabalho.

A tabela 3.1 traz uma síntese do comportamento esperado do sistema para o reconhecimento dos centros das válvulas direcionais elaborada pelo autor.

17

Tabela 3.1: Síntese resumida do funcionamento das válvulas direcionais

18

Afim de entender melhor o funcionamento da placa de ligação e seu desempenho com relação ao circuito hidráulico, segue nas figuras 3.1 e 3.2, os desenhos esquemáticos das mesmas.

O detalhamento completo das placas de ligação com base em uma barra de alumínio de 120 mm de diâmetro, está no apêndice I .

Entrada “P” de fluido

Saída “T” para o tanque

Saída “A” para circuito adjacente

Saída “B” para circuito adjacente

Área que a válvula direcional ocupa com relação à placa de ligação

Figura 3.1: vista superior da placa de ligação.

19

A figura 3.3 mostra um exemplo de um possível circuito hidráulico utilizando uma válvula direcional de centro normal com recirculação do fluido.

Dadas essas configurações e, agora que já se sabe ao certo como o fluido é distribuído em relação à placa de ligação e é distribuída para o circuito adjacente, é possível, através de medições de pressão e vazão, iniciar os testes.

Figura 3.3: vista superior em corte da placa de ligação.

Manômetro

Figura 3.3: exemplo de circuito hidráulico da bancada com válvula direcional de centro normal com recirculação do fluido

Placas de orifício para

medição da velocidade de

escoamento do fluido.

20

Mesmo considerando as perdas de carga devido a utilização das placas de orifício, o resultado final não deverá ser prejudicado pela utilização das mesmas, pois, a bancada lida com uma vazão relativamente pequena e pressões igualmente pequenas.

A placa de ligação apresentada neste projeto foi modificada com base no desenho original da Rexroth de modo a poder ser confeccionada em uma barra de alumínio que a Universidade dispunha até meados de 2009. O projeto da placa modificada encontra- se no apêndice I deste projeto. A figura 3.4 mostra a disposição da placa de ligação com a válvula direcional em um modelo tridimensional feito utilizando a ferramenta “Solidworks” com base nas medidas apresentadas no apêndice I, mostrando que, mesmo com as suas modificações é completamente viável a confecção da placa de ligação sem afetar diretamente o funcional do projeto.

As furações laterais da placa de ligação em decorrência do processo de usinagem da peça, devem ser vedadas com parafuso sem cabeça 5/16NPT colado com "Loctite 601".

A sugestão para o cronograma para a realização do projeto segue abaixo na tabela 3.2:

Figura3.4: vistas do modelo 3D da placa de ligação e válvula direcional montadas.

21

1ª etapa: Verificação da bancada e possíveis manutenções

Nesta primeira etapa deve ser verificada a condição de funcionamento da bancada e, se necessário, realizar as manutenções necessárias tais como, possível troca de alguns componentes, realização de limpeza em algumas áreas da bancada e avaliação de seu funcionamento.

2ª etapa: Aquisição de solenóides, placas de orifício, manômetros e mangueiras de 1/2”.

Nesta etapa, após a conclusão da viabilidade de utilizar a bancada para o projeto, deverão ser adquiridos os componentes restantes para a montagem e conclusão do projeto.

É importante salientar que, nesta parte do desenvolvimento, não é considerado o tempo necessário para liberação de verbas por parte da Universidade tendo em vista que, o processo pode levar mais ou menos tempo em função do procedimento interno a ser adotado no período da realização do projeto.

3ª etapa: confecção da placa de ligação

O projeto da placa de ligação apresentada neste trabalho foi adaptado a partir do projeto da empresa Rexroth de forma que pudesse ser feito em uma barra cilíndrica de 120 mm de diâmetro e, seguindo as especificações do projeto não deve haver problemas com relação a sua funcionalidade, entretanto, devido ao fato do projeto não ter sido concretizado ainda, se faz necessário a confecção e verificação da funcionalidade prática da placa para cumprir com o objetivo e, o prazo de duas semanas úteis para a realização desta etapa deve ser o suficiente para esta verificação e, se necessário, fazer as adaptações e modificações no projeto.

1ª

semana

2ª

semana

3ª

semana

4ª

semana

5ª

semana

6ª

semana

7ª

semana

8ª

semana

Verificação das condições da bancada e possíveis manutenções

Aquisição solenóides, placas de orifício, manômetros e mangueiras de 1/2”.

Confecção placa de ligação

Montagem da bancada

Testes

Tabela 3.2: cronograma sugerido para o desenvolvimento do projeto.

22

Também é importante salientar que o projeto pode ser adaptado à outras medidas da matéria- prima (que, obrigatoriamente, deve ser produzida por material inoxidável como alumínio ou aço inox) o projeto deste trabalho foi feito de forma tal a atender às especificações de matéria prima disponíveis na Universidade até o momento.

4ª etapa: montagem da bancada

Esta etapa constitui da parte final da realização do projeto sendo necessárias duas semanas para a montagem da mesma tendo em vista a disponibilidade do laboratório de hidráulica e também do responsável pela realização do projeto.

5ª etapa: testes

Na última etapa do processo, deve ser verificada a funcionalidade da bancada final para a realização das atividades de identificação dos centros de válvulas direcionais. Caso haja a necessidade de reparos ou alterações no projeto original, deve- se estabelecer um prazo para a realização desse reparo ou, até mesmo, retornar para etapas anteriores no cronograma.

O CLP a ser utilizado no experimento deverá ser o mesmo utilizado na bancada de eletro pneumática, pois, não há necessidade de adquirir um novo controlador devido ao fato que, ao abordar o assunto de eletro hidráulica, pressupõe- se que não será abordado em um mesmo período a matéria relacionada a pneumática, não sendo necessário, portanto, a aquisição de um novo equipamento.

3.1 Determinação da pressão de trabalho da bancada

Para o dimensionamento das condições de trabalho da bancada, foi utilizado como premissa o motor elétrico da mesma de 1160 RPM e a pressão máxima de trabalho recomendada pelo fabricante de 50 bar . Os resultados são apresentados a seguir

3.1.1 Vazão máxima na tubulação

Para a obtenção da vazão máxima do sistema foi utilizado a equação 2.3.

Foi estimado, para a realização deste cálculo, um diâmetro de ½ pol. para a mangueira (dt= 0,97 cm), o resultado é mostrado abaixo:

� ≅ 18 9:;*

23

O valor de 400 cm/s mostrado no cálculo foi obtido através da tabela 2.1 que mostra as velocidades de escoamento recomendadas.

3.1.2 Volume de absorção

O volume de absorção de um motor hidráulico é calculado pela expressão 2.4.

Tendo em vista que a informação a respeito do rendimento volumétrico não foi encontrada, será considerado um nv igual a 0,91 (o menor possível). Desta forma:

%& = 17 =:³?@�Açã@

3.1.3 Determinação do ponto de trabalho do motor hidráulico

Através do catalogo da Rexroth de motores hidráulicos foi utilizado o diagrama de curva característica da bomba hidráulica modelo AZPF com tamanho nominal de 19 cm³/ rot. Abaixo o diagrama da curva característica da bomba.

Diagrama 3.1: curvas características da bomba hidráulica modelo AZPF da Rexroth de 19 cm³/ rotação.

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Com base no diagrama acima é plausível dizer que a bomba opera com aproximadamente 2,3 Kw de potência e gera um momento de 19 N.m.

3.1.4 Determinação das perdas de carga

A fim de verificar a viabilidade técnica com respeito às perdas de cargas sofridas no sistema, foi realizado um estudo que visa esclarecer e mensurar a perda de carga total no sistema para determinar o ponto de trabalho ideal para a bomba hidráulica.

3.1.4.1 Comprimentos equivalentes

A relação das singularidades e seus respectivos comprimentos equivalentes são mostrados na tabela 3.3.

comprimento

equivalente (Leq.)

(cm)

quantidade

comprimento

equivlente

total (cm)

Conexão engate rápido

(união) 1 8 8

placa de orifício

(suposição) 50 4 200

O comprimento da tubulação foi estimado como sendo igual a 4 metros portanto, o comprimento total do sistema (tubulação e singularidades) será considerado como sendo equivalente a 608 cm.

3.1.4.2 Fator de atrito (Ψ)

Fator de atrito para tubos flexíveis e temperatura constante (conforme tabela 2.2)

. = 7545

Aplicando as equações para óleo LUBRAX HR 68 EP (ISO VG 68) (um doa óleos recomendados pela Rexroth para a bancada):

45 = 596,9

Tabela 3.3: relação das singularidades na instalação

Escoamento laminar

25

Fator de atrito:

Ψ=~ 0,12

3.1.4.3 Perda de carga na linha de pressão

Utilizando a equação 2.5 para óleo LUBRAX HR 68 EP (ISO VG 68)tem- se:

∆- ≅ 0,52 �A?

3.1.4.4 Perda de carga nas válvulas direcionais

As perdas de carga nas válvulas direcionais variam de acordo com a pressão de trabalho a ser empregada no sistema de acordo com o diagrama 3.2 e da tabela 3.4.

Diagrama 3.2: curvas características de perda de

carga em válvulas direcionais conforme o tipo e

vazão (Rexroth)

26

Assim, é recomendável que, para um bom desempenho da bancada sem correr riscos com possíveis falhas de funcionamento das válvulas a pressão de trabalho na bancada deverá ser de, no máximo 10 bar.

Tabela 3.4Relação das curvas de perda de carga

nas válvulas direcionais conforme o tipo.

(Rexroth)

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4 Conclusão

Fica evidenciada no trabalho a viabilidade técnica para a realização do projeto que, sem dúvida vai contribuir para a formação de futuros profissionais da área de engenharia aprimorando o ensino da disciplina de hidráulica na Universidade e utilizando boa parte do material já disponível no laboratório de controle hidráulico, reduzindo, portanto os custos para a implementação do projeto em si.

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5. Referências bibliográficas

[1]- Fialho, Arivelto Bustamante. Automação hidráulica : projetos,

dimensionamento e análise de circuitos, 4ª edição. São Paulo 2006. Editora

Érica.

[2]- Giles, Ranald, V.. Mecânica dos fluidos e hidráulica: resumo da

teoria, 475 problemas resolvidos, 365 problemas propostos. São Paulo, 1975.

Editora McGraw- Hill do Brasil.

[3]- Bosch, Treinamento hidráulico – curso thr,Bosch Hidráulica Ltda,

1985

[4]- Stewart, Harry L. Pneumática e Hidráulica, 3ª edição.. São Paulo. Ed.

Hemus

[5]- PARKER HANNIFIN CO., Tecnologia hidráulica industrial, Centro

Didático de Automação Parker Hannifin – Divisão Schrader Bellows.

[6]- Sampaio, Calçada. Física, volume único – 2ª edição. São Paulo, 2005.

Atual Editora.

[7]- Georgini, Marcelo. Automação aplicada: Descrição e implementação

de sistemas seqüenciais com PLC’s. São Paulo 2000. Editora Érica.

[8]- Silveira, Paulo Rogério da; Santos, Winderson E. dos. Automação e

controle discreto. 2ª edição. São Paulo 1998. Editora Érica.

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Apêndice 1- Detalhamento da placa de ligação usinada em uma

barra de alumínio

tcc final- felipe alves

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