Projeto de conjunto de mangueira hidráulica:um guia completo para engenheiros

Por Josh Cosford, editor colaborador

Assim como seus irmãos de encaixe e adaptador, os conjuntos de mangueiras hidráulicas costumam ser uma reflexão tardia para o projetista hidráulico. Prefiro trabalhar também na elaboração de um circuito hidráulico exclusivo, mas não devemos esquecer a importância de uma abordagem holística ao projeto da máquina. Seus técnicos de energia fluida são uma peça essencial do quebra-cabeça para garantir que as mangueiras sejam fabricadas e instaladas com habilidade, mas sua premeditação ajuda muito a economizar custos, facilitar a instalação e melhorar a confiabilidade.

Supondo que você seja o projetista hidráulico, e não o engenheiro responsável pela máquina em si, há muitas considerações ao planejar os conjuntos de mangueiras. Geralmente, você deve considerar três coisas ao selecionar e planejar a montagem da mangueira da sua máquina:construção da mangueira, seleção da extremidade da mangueira e opções de roteamento.

Primeiro o mais importante:construção da mangueira

A seleção do estilo correto de construção da mangueira desempenha o papel mais importante no fornecimento aos clientes de uma máquina hidráulica eficaz e segura. A compatibilidade de pressão é o principal fator que você deve considerar ao selecionar sua mangueira, e seu ponto de partida deve ser o gráfico abaixo nos padrões de mangueiras hidráulicas SAE J517.
Padrão de construção de mangueira hidráulica SAE J517
Você deve selecionar sua mangueira hidráulica com base na faixa máxima de pressão de trabalho que sua máquina experimenta. A faixa leva em consideração o maior diâmetro (menor pressão) e o menor diâmetro (maior pressão), que estão no cerne da hidráulica. Por sua própria natureza, mangueiras pequenas suportam alta pressão com mais facilidade do que mangueiras de grande diâmetro, portanto, verifique com seu fornecedor de mangueiras a classificação de pressão do diâmetro necessário para a vazão de sua máquina.

Todas as mangueiras hidráulicas são classificadas para sua pressão de trabalho, que é metade da pressão de prova e metade da pressão de ruptura. Se o seu sistema estiver sujeito a picos de pressão, pode ser necessário selecionar uma mangueira com classificação ligeiramente superior à pressão nominal de trabalho. A pressão de prova descreve o ponto onde uma mangueira hidráulica está sujeita a danos permanentes, por isso é melhor evitar beijar essa demarcação no manômetro.

Em muitos casos, você pode querer evitar os veneráveis padrões 100R1 e 100R2 se sua máquina tiver uma variedade de tamanhos de mangueira enquanto opera a pelo menos 3.000 psi. Muitos fabricantes de máquinas estão padronizando uma das designações de mangueira isobárica, como 100R17, onde cada mangueira de 3/16 a 1 pol. Sua crescente popularidade reduziu os custos de produção, à medida que muitos fabricantes de mangueiras adotaram esse design.
É muito importante utilizar uma mangueira com o diâmetro interno correto, pois a alteração do D.I. pode alterar a pressão do sistema. Se a mangueira de reposição for muito pequena para o fluxo, você introduziu uma nova restrição. A pressão do sistema aumentará.
Imagem cortesia de LunchBox Sessions
Se você precisar de mangueira de grande diâmetro e superior a 3.000 psi, terá que explorar opções como 100R12, 100R13 e 100R15, que empregam fios de reforço enrolados em espiral com quatro ou seis camadas. Algumas pessoas sugerem que você escolha uma mangueira classificada para 25-50% acima de sua pressão de trabalho, mas, na realidade, as diretrizes rígidas de mangueiras já levam em conta picos de pressão e os fabricantes constroem de acordo.

Considerações sobre fluxo

Depois de escolher o tipo de construção da mangueira, você precisará do diâmetro que melhor se adapta ao fluxo. Lembre-se de levar em consideração situações únicas, como cilindros diferenciais e o fluxo de aditivo gerado fora da porta da tampa durante a retração. Nos casos em que a proporção de área é alta, você poderá observar mais que o dobro da vazão, portanto, certifique-se de que a mangueira tenha o tamanho adequado.

Não existe uma descrição absoluta da capacidade de fluxo de uma mangueira hidráulica porque quatro cenários determinam a velocidade máxima do fluido, que geralmente é o nosso fator limitante, em vez de algo mais difícil de calcular, como a queda de pressão. Começando na extremidade inferior, evite velocidade excessiva nas linhas de sucção, onde o vácuo pode resultar na formação espontânea de bolhas de gás que chamamos de cavitação. Como regra geral, nunca deixe as linhas de sucção excederem 3-4 pés/s; mais baixo é sempre melhor, então não há mal nenhum em mirar 1 pé/s se o espaço permitir.
À esquerda está o raio de curvatura mínimo permitido para esta mangueira. À direita, a curvatura da mangueira (traçada em vermelho) é muito mais estreita que o raio de curvatura mínimo permitido pelo fabricante (mostrado em verde).
Imagem cortesia de LunchBox Sessions
Além disso, certifique-se de que a drenagem da caixa e as linhas piloto estejam limitadas a uma velocidade de 1 pé/seg ou mais lenta. Sob nenhuma circunstância você deseja arriscar danos aos componentes internos ou aos controles da bomba. Você pode ser mais liberal com as velocidades das linhas de pressão e retorno, na maior parte. As linhas de pressão, como a pressão da bomba e as linhas de trabalho, podem variar de 20 a 30 pés/seg e dependem da pressão. Sistemas de pressão mais alta são mais adequados para velocidades mais altas porque menos fluido é perdido à medida que a pressão cai em relação à pressão máxima. Por exemplo, correr 30 pés/seg em um sistema de 4.000 psi é menos problemático do que correr 30 pés/seg em um sistema de 1.000 psi.

Observe que as linhas de retorno também devem ser dimensionadas para limitar a velocidade, embora não tanto quanto as linhas de sucção. É razoável operar em torno de 6 a 10 pés/s neste caso, e o objetivo principal é limitar a contrapressão nas linhas do tanque das válvulas e drenos da caixa, mas também evitar pressão excessiva nas carcaças do filtro de retorno. Alguma consideração deve ser dada ao tamanho da linha, apesar da velocidade ideal do fluido. Linhas pequenas são mais naturalmente propensas à queda de pressão, portanto, evite linhas de sucção, pressão e retorno muito pequenas, mesmo que elas se encaixem na faixa de velocidade ideal.

O diâmetro interno da mangueira pequena está sujeito a forças de atrito mais altas do fluido que corre desproporcionalmente através da camada limite. Por outro lado, uma mangueira maior permite o fluxo através do centro e para longe das paredes internas do tubo. Da mesma forma, as linhas de retorno e de pressão têm maior probabilidade de sofrer fluxo turbulento e dissipação de energia, levando à queda de pressão. Em caso de dúvida, não economize no diâmetro e arrisque os problemas resultantes de conjuntos de mangueiras subdimensionados. Na prática, ao fazer um conjunto de mangueiras para uma máquina hidráulica, é comum ver uma mangueira de sucção de 2 pol., uma mangueira de pressão de 3/4 pol., uma mangueira de retorno de 1 pol.

Não negligencie as pontas das mangueiras

Finalizamos agora o tipo de construção mais adequado à pressão hidráulica da nossa máquina e refinamos o nosso diâmetro interno para se adequar ao fluxo do sistema; agora devemos escolher as extremidades da mangueira. Você é um projetista hidráulico em 2025, então vamos deixar de lado o touro; selecionaremos apenas conexões sem vazamentos usando vedações de borracha sintética. Desculpe, NPT e JIC – vocês foram ótimos e eu aprecio todas as nossas memórias, mas é você e não eu. O-ring Face, O-ring Boss e flanges oferecem muito mais neste relacionamento.

ORFS rapidamente se tornou a conexão preferida, oferecendo todos os benefícios do estilo JIC com uma conexão sem vazamentos. Ele está disponível em vários tamanhos, com curvas nas extremidades da mangueira de 45° e 90°, e as extremidades fêmeas são equipadas com giro para facilitar a instalação. O anel de vedação facilmente substituível está localizado na face da extremidade macho, agilizando o trabalho de manutenção quando ocorrem vazamentos.

Conexões de flange, como os estilos SAE Código 61 e Código 62 comuns, são comumente usados para conexões de alta pressão e/ou alto fluxo. As conexões de flange dividida permitem que o técnico alinhe a extremidade da mangueira adequadamente para evitar emperramento ou torção e, como a conexão ORFS, o anel de vedação fica na extremidade macho (não há flange “fêmea” porque os machos se fixam à superfície de conexão plana onde a porta está localizada).

Normalmente, o encaixe do tipo O-ring é usado como uma conexão intermediária à extremidade da mangueira. Semelhante ao BSPP ou Métrico, estes utilizam uma vedação de polímero situada na parte superior da rosca da porta, vedada por uma cavidade dentro da rosca da porta (ORB) ou através de uma arruela colada (BSPP e Métrico). No entanto, o ORB raramente é usado como extremidade da mangueira porque a conexão macho requer um suporte giratório dispendioso. Eles estão disponíveis em orientação reta ou 90°, mas muitos designers preferem conexões de mangueira fêmea.

Para mitigar as mensagens de ódio, devo mencionar que algumas máquinas usam acessórios JIC e NPT, e isso é perfeitamente normal. No entanto, este guia do designer é voltado para tecnologia superior, e eu seria negligente se não empurrasse nada além de extremidades de mangueira com vedações substituíveis. ORFS e acessórios de flange são simplesmente melhores, então acompanhe o tempo e use-os. Portanto, apesar do JIC ser fácil de usar com sistemas de alargamento de tubos, muitos fabricantes oferecem conexões de tubos de duas peças para ORFS, e acessórios de flange também podem ser soldados aos tubos. Além disso, este artigo é realmente sobre conjuntos de mangueiras, não sobre encanamento tubular.
Como a mangueira pode mudar de comprimento sob alta pressão, é importante fornecer folga suficiente para expansão.
Imagem cortesia de LunchBox Sessions

Layout e roteamento

A consideração final para projetistas hidráulicos diz respeito ao layout físico dos conjuntos de mangueiras na própria máquina. As mangueiras merecem algo melhor do que simplesmente a união do ponto A ao ponto B. A sua orientação, disposição e instalação devem evitar desgaste por fricção, pressão excessiva nas juntas e forças de torção/torque. Na foto estão vários métodos incorretos e corretos para montar conjuntos de mangueiras hidráulicas para evitar dobras na junta de crimpagem. O peso da mangueira nunca deve incentivar a flexão no ponto onde a extremidade da mangueira de aço aperta a tampa da mangueira. Se o peso de uma mangueira causar flacidez, use extremidades de mangueira de 90° para apoiar a curva e deixe a mangueira pendurada naturalmente.

O comprimento da mangueira deve ser suficiente para evitar tensão durante a conexão e o aperto, mas não tão longo que esfregue ou vibre contra qualquer mangueira ou outra superfície. Longos trechos de mangueiras precisam ser fixados contra a máquina usando uma das muitas tecnologias. Os fabricantes oferecem blocos, selas, braçadeiras e diversas tecnologias, soldadas ou aparafusadas à máquina, para fixar a mangueira com precisão.
braçadeiras devem ser usadas para apoiar adequadamente a mangueira. isso evita que eles se debatam quando pressurizados e não há tensão desnecessária nas conexões. Imagem cortesia de LunchBox Sessions
Ao instalar comprimentos de mangueira em tais sistemas, evite apertar excessivamente a braçadeira ou a mangueira entre as conexões. Para gerir os ciclos de pressão e temperatura, deve haver uma ligeira folga entre cada ponto de ligação, evitando fixações excessivas que possam danificar a cobertura ou camada de reforço. Onde não for possível evitar que as mangueiras esfreguem em superfícies duras ou outras mangueiras, instale cada mangueira com um invólucro protetor projetado para reduzir o desgaste e o atrito. Eles também podem proteger contra danos ambientais, como precipitação industrial ou raios UV, e também devem ser usados ​​quando as mangueiras são direcionadas dentro de canais ou vigas.

Quando o projetista hidráulico considera seu papel abrangente, cada camada do projeto da máquina – desde o esquema original até o produto acabado – deve ser planejada e organizada de forma inteligente para o projeto mais eficiente, econômico e eficaz possível. Os conjuntos de mangueiras parecem elementares, mas o resto da máquina pouco importa quando mangueiras estouradas ou danificadas afetam seu sistema hidráulico.

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