Hidráulica 101: Entendendo Sistemas de Potência de Fluidos

Fundamentos de Hidráulica e Sistemas Hidráulicos

A hidráulica é a geração de forças e movimento usando fluidos hidráulicos, que representam o meio para transmissão de potência. Sistemas hidráulicos são extremamente importantes para a operação de equipamentos pesados. A palavra “hidráulica” origina-se do grego para água e originalmente significava o estudo do comportamento físico da água em repouso e em movimento. Hoje, o significado expandiu-se para incluir o comportamento físico de todos os líquidos, incluindo fluidos hidráulicos. Sistemas hidráulicos não são novidade na indústria; há muito fornecem meios para operar muitos tipos de equipamentos industriais. À medida que os equipamentos tornaram-se mais sofisticados, novos sistemas com potência hidráulica vêm sendo desenvolvidos.

Sistemas hidráulicos são usados em plantas de produção modernas e instalações de manufatura, desempenhando papel importante na indústria siderúrgica, mineração, construção e equipamentos de movimentação de materiais. São usados para operar implementos que levantam, empurram e movem materiais. A ampla gama de aplicações industriais de sistemas hidráulicos começou apenas na década de 1950. Desde então, essa forma de potência tornou-se padrão para operação de equipamentos industriais. Atualmente, sistemas hidráulicos ocupam lugar muito importante na tecnologia de automação moderna, por serem versáteis, eficientes e simples para transmissão de potência.

A transmissão de potência é a função do sistema hidráulico, pois converte potência de uma forma para outra. Em sistemas hidráulicos, as forças aplicadas pelo fluido são transmitidas a um mecanismo mecânico. Para entender como operam, é necessário compreender os princípios da hidráulica: o estudo de líquidos em movimento e pressão em tubos e cilindros.

Divisão da Ciência Hidráulica

A ciência da hidráulica divide-se em dois ramos: (i) hidrodinâmica e (ii) hidrostática.

• Hidrodinâmica lida com líquidos em movimento. Exemplos: roda d'água ou turbina; a energia usada é a criada pelo movimento da água e o conversor de torque.
• Hidrostática lida com líquidos sob pressão. Exemplos: macaco hidráulico ou prensa hidráulica e atuação de cilindro hidráulico. Em dispositivos hidrostáticos, empurrar um líquido confinado transfere potência. Se o líquido se move ou flui num sistema, ocorre movimento nesse sistema. A maioria dos equipamentos baseados em hidráulica em uso hoje opera hidrostaticamente.

Vantagens da Hidráulica sobre Outras Tecnologias

As três tecnologias mais comuns para geração de forças, movimentos e sinais são hidráulica, eletricidade e pneumática. As vantagens da hidráulica incluem:

• Transmissão de grandes forças usando componentes pequenos – grande intensidade de potência.
• Posicionamento preciso.
• Entrega de potência consistente, difícil em sistemas pneumáticos ou mecânicos.
• Partida viável sob carga pesada.
• Movimentos uniformes independentes da carga, pois líquidos são praticamente incompressíveis e válvulas de controle de fluxo podem ser usadas.
• Operação suave e reversão.
• Bom controle e regulação.
• Dissipação de calor favorável.
• Possibilidade de vazamento menor que em sistemas pneumáticos.
• Facilidade de instalação, simplificação de inspeção e mínimos requisitos de manutenção.
• Uso de fluido incompressível resulta em maior eficiência, com perdas desprezíveis por atrito do fluido.
• Desempenho bom em condições de alta temperatura.

Desvantagens dos Sistemas Hidráulicos

• Poluição ambiental por óleos residuais (risco de incêndio ou acidentes).
• Sensibilidade à sujeira.
• Perigo de pressões excessivas (linhas rompidas).
• Dependência de temperatura (mudança de viscosidade).

Sistemas Hidráulicos Estacionários vs. Móveis

Há distinção básica entre sistemas hidráulicos estacionários e móveis. Enquanto sistemas móveis se deslocam sobre rodas ou esteiras, os estacionários permanecem fixos. Característica dos sistemas móveis: válvulas frequentemente operadas manualmente. Em sistemas estacionários, normalmente usam-se válvulas solenoides.

Áreas típicas de aplicação de sistemas móveis: equipamentos de construção, caçambas basculantes, escavadeiras, plataformas elevatórias, dispositivos de elevação e transporte, equipamentos de movimentação de materiais em pátios.

Principais áreas de aplicação de sistemas estacionários: máquinas de produção e montagem de todos os tipos, linhas de transferência, dispositivos de elevação e transporte, laminadores, prensas, elevadores, máquinas de injeção, etc. Ferramentas de máquina são área típica.

Lei de Pascal – Base da Hidráulica

No século XVII, o cientista francês Blaise Pascal formulou a lei fundamental que baseia a hidráulica. A Lei de Pascal afirma: “Pressão aplicada a um líquido confinado é transmitida integralmente em todas as direções, atuando com força igual em todas as áreas iguais e em ângulo reto a essas áreas”. Este princípio também é conhecido como leis dos fluidos confinados. Pascal demonstrou que aplicando uma pequena força de entrada contra uma pequena área, pode-se obter uma força grande ao aumentar a área de saída. Essa pressão aplicada à maior área de saída produz força maior – um método de multiplicação de força.

A multiplicação de forças é apenas uma vantagem do uso de fluido hidráulico para transmitir potência. Além disso, as forças não precisam ser transmitidas em linha reta; podem ser transmitidas ao redor de cantos ou de qualquer forma não linear enquanto são amplificadas. A potência de fluido é verdadeiramente um conceito flexível de transmissão de potência. Na verdade, potência de fluido é a transmissão de potência de uma fonte rotativa essencialmente estacionária para um dispositivo amplificador de força rotativo (circular) ou linear (linha reta) posicionado remotamente, chamado atuador. A potência de fluido também pode ser vista como parte do processo de transformação de energia potencial em forma mecânica ativa (força e potência linear ou rotativa). Uma vez que a energia básica é convertida em potência de fluido, surgem outras vantagens:

• Forças podem ser facilmente alteradas mudando sua direção ou invertendo-as.
• Dispositivos de proteção podem ser adicionados, permitindo que o equipamento de carga paralise, mas evitando sobrecarga do motor principal e estresse excessivo nos componentes.
• A velocidade de diferentes componentes do equipamento pode ser controlada independentemente uns dos outros, bem como independentemente da velocidade do motor principal.

Fluidos Hidráulicos

Fluidos de sistemas hidráulicos são usados principalmente para transmitir e distribuir forças às várias unidades a serem acionadas. Líquidos conseguem isso porque são quase incompressíveis. Água é inadequada como fluido hidráulico, pois congela a baixas temperaturas, ferve a 100 °C, causa corrosão e ferrugem e fornece pouca lubrificação. A maioria dos sistemas hidráulicos usa óleo (fluido hidráulico), porque não pode ser comprimido e lubrifica o sistema. Muitos tipos de fluidos são usados por diversos motivos, dependendo da tarefa e ambiente de trabalho, mas todos realizam as seguintes funções básicas:

• Transmitir forças e potência através de condutos (linhas) a um atuador onde o trabalho é realizado.
• Servir como meio lubrificante para componentes hidráulicos do circuito.
• Atuar como meio de resfriamento, removendo calor de “pontos quentes” no circuito ou componentes e dissipando-o em outro local.
• Vedar folgas entre partes móveis de componentes para aumentar eficiência e reduzir calor gerado por vazamento excessivo.

Propriedades Importantes na Seleção do Fluido Hidráulico

• Viscosidade – Uma das propriedades mais importantes. É a resistência interna ao fluxo. A viscosidade aumenta com a diminuição da temperatura. Um fluido satisfatório deve ter corpo suficiente para boa vedação em bombas, válvulas e pistões, mas não tão espesso a ponto de oferecer resistência ao fluxo, causando perda de potência e temperaturas operacionais mais altas. Fluido muito fino também leva a desgaste rápido de partes móveis ou com cargas pesadas.
• Estabilidade química – Propriedade extremamente importante. É a capacidade do fluido resistir à oxidação e deterioração por longos períodos. Todos os fluidos tendem a mudanças químicas desfavoráveis sob condições severas, como operação prolongada a altas temperaturas. Temperaturas excessivas afetam muito a vida do fluido. A temperatura do fluido no reservatório nem sempre reflete as condições reais de operação. Pontos quentes localizados ocorrem em mancais, dentes de engrenagens ou onde fluido sob pressão passa por orifício pequeno. Passagem contínua nesses pontos pode produzir temperaturas locais altas o suficiente para carbonizar ou formar borra no fluido, enquanto o fluido no reservatório não indica temperatura excessiva.
• Ponto de fulgor – Temperatura em que o fluido emite vapor em quantidade suficiente para inflamar momentaneamente quando exposto a chama. Ponto de fulgor alto é desejável, indicando boa resistência à combustão e baixa evaporação em temperaturas normais.
• Ponto de fogo – Temperatura em que o fluido emite vapor em quantidade suficiente para inflamar e continuar queimando quando exposto a faísca ou chama. Como o ponto de fulgor, ponto de fogo alto é requerido.

Categorias Principais de Fluidos Hidráulicos

1. Óleos minerais – Usados onde o risco de incêndio é comparativamente baixo. Processados a partir de petróleo. Vedações de borracha sintética são usadas com fluidos à base de petróleo.
2. Polialfaolefinas (PAO) – Fluido hidrogenado resistente ao fogo, superando a inflamabilidade dos óleos minerais. Significativamente mais resistente à chama, mas tem desvantagem de alta viscosidade a baixa temperatura. Uso geralmente limitado a –40 °C.
3. Ésteres fosfáticos – Extremamente resistentes ao fogo. Não são à prova de fogo e, sob certas condições, queimam. Devido à diferença de composição, fluidos à base de petróleo e ésteres fosfáticos não se misturam. Vedações para um fluido não são utilizáveis ou tolerantes aos outros.

Sistemas hidráulicos requerem acessórios especiais compatíveis com o fluido. Vedações, gaxetas e mangueiras apropriadas devem ser designadas especificamente para o tipo de fluido em uso. Deve-se garantir que componentes instalados sejam compatíveis com o fluido hidráulico.

Sistemas Hidráulicos: Centro Aberto vs. Centro Fechado

Sistema de centro aberto: Tem fluxo de fluido, mas sem pressão quando os mecanismos de acionamento estão ociosos. A bomba circula fluido do reservatório, através das válvulas seletoras, e de volta ao reservatório. Pode empregar qualquer número de subsistemas, com válvula seletora para cada. As válvulas seletoras estão sempre conectadas em série. O fluido passa livremente por cada válvula seletora e retorna ao reservatório até que uma seja posicionada para operar um mecanismo. Quando uma válvula seletora é posicionada para operar um dispositivo de acionamento, o fluido é direcionado da bomba através de uma das linhas de trabalho ao atuador. Com a válvula nessa posição, o fluxo através da válvula para o reservatório é bloqueado. A pressão aumenta no sistema para superar a resistência e mover o pistão do cilindro de acionamento; fluido da extremidade oposta retorna à válvula seletora e flui de volta ao reservatório. A operação subsequente depende do tipo de válvula seletora.

Sistema de centro fechado: O fluido está sob pressão sempre que a bomba de potência está operando. Há vários atuadores dispostos em paralelo, e várias unidades de acionamento podem operar simultaneamente enquanto outras não. Difere do sistema de centro aberto pois as válvulas seletoras ou de controle direcional são dispostas em paralelo, não em série. O meio de controle da pressão da bomba varia. Se bomba de entrega constante é usada, a pressão do sistema é regulada por um regulador de pressão. Válvula de alívio atua como dispositivo de segurança caso o regulador falhe. Se bomba de deslocamento variável é usada, a pressão do sistema é controlada pelo compensador de pressão integral da bomba. O compensador varia automaticamente a vazão de saída. Quando a pressão se aproxima da pressão normal do sistema, o compensador começa a reduzir a vazão da bomba. A bomba fica totalmente compensada (fluxo próximo de zero) quando a pressão normal é atingida. Nesse estado, seu mecanismo de bypass interno proporciona circulação de fluido através da bomba para resfriamento e lubrificação. Válvula de alívio é instalada como segurança.

Vantagem do centro aberto sobre centro fechado: Elimina a pressurização contínua do sistema. Como a pressão aumenta gradualmente após a válvula seletora ser movida para posição de operação, há muito pouco choque de picos de pressão, proporcionando operação mais suave dos mecanismos de acionamento. A operação é mais lenta que no sistema de centro fechado, onde a pressão está disponível no momento em que a válvula seletora é posicionada.

Componentes Básicos de um Sistema Hidráulico

Independentemente de sua função e projeto, um sistema hidráulico tem um número mínimo de componentes básicos além dos meios de transmissão do fluido. Um sistema básico consiste em: bomba hidráulica, reservatório para fluido, válvula direcional, válvula de retenção, válvula de alívio de pressão, válvula seletora, atuador e filtro. A Figura 1 mostra um sistema hidráulico básico.

Figura 1 – Sistema hidráulico básico

Reservatório Hidráulico

Recipiente para armazenar o fluido necessário ao suprimento do sistema, incluindo reserva para perdas por vazamentos menores e evaporação. Projetado para permitir expansão do fluido, escape de ar aprisionado e ajudar no resfriamento. Reservatórios podem ser ventilados à atmosfera ou fechados e pressurizados. O fluido flui do reservatório para a bomba, é forçado através do sistema e eventualmente retorna ao reservatório. Além de suprir necessidades operacionais, repõe fluido perdido por vazamento. Também serve como bacia de transbordo para fluido excedente forçado para fora do sistema por expansão térmica, acumuladores e deslocamento de pistão e haste. Fornece local para o fluido purgar bolhas de ar que possam entrar no sistema. Matéria estranha captada no sistema pode ser separada no reservatório ou ao fluir por filtros de linha. Reservatórios podem ser pressurizados ou não. Defletores e/ou aletas são incorporados na maioria para evitar movimento aleatório do fluido, como vortex (redemoinho) e oscilação, que podem causar espuma e entrada de ar na bomba junto com o fluido.

Filtragem e Contaminação

Para que componentes hidráulicos funcionem corretamente, o fluido deve ser mantido o mais limpo possível. Contaminação do fluido hidráulico é uma das causas mais comuns de problemas. Matéria estranha e minúsculas partículas metálicas do desgaste normal de válvulas, bombas e outros componentes entram no sistema. Coadores, filtros e plugs magnéticos são usados para remover partículas estranhas e são salvaguardas eficazes contra contaminação. Plugs magnéticos, localizados no reservatório, removem partículas de ferro ou aço. Coador é o sistema primário de filtragem que remove partículas grandes. Embora sua ação de peneiração não seja tão boa quanto a de um filtro, oferece menor resistência ao fluxo. Coadores são usados nas linhas de sucção da bomba onde a queda de pressão deve ser mínima. Filtro remove partículas pequenas e é mais eficaz contra contaminantes. Filtros podem estar no reservatório, linha de pressão, linha de retorno ou onde necessário. Classificam-se como fluxo total ou fluxo proporcional. Válvula de alívio de bypass no corpo permite que o líquido ignore o elemento filtrante e passe diretamente pela porta de saída quando o elemento entope. Filtros sem bypass têm indicador de contaminação, que funciona com base na diferença de pressão do fluido ao entrar e sair do elemento.

Acumuladores

Semelhantes a uma bateria de armazenamento elétrico. Um acumulador hidráulico armazena potência potencial – fluido hidráulico sob pressão – para futura conversão em trabalho útil. Esse trabalho pode incluir operação de cilindros e motores de fluido, manutenção da pressão requerida em caso de falha da bomba ou energia, e compensação de perda de pressão por vazamento. Acumuladores podem atuar como dispensadores de fluido, barreiras de fluido e proporcionar ação de amortecimento (absorção de choque). Podem ser de mola, bolsa ou pistão.

Bombas Hidráulicas

Convertem energia mecânica de um motor principal (motor elétrico) em energia hidráulica (pressão). A energia de pressão é usada para operar um atuador. Bombas empurram fluido hidráulico e criam fluxo. A unidade combinada de bomba e motor de acionamento é conhecida como bomba hidráulica. A bomba retira fluido do tanque de armazenamento e o entrega ao resto do circuito. Em geral, a velocidade da bomba é constante e entrega volume igual de fluido a cada revolução. A quantidade e direção do fluxo é controlada por mecanismos externos. Em alguns casos, a própria bomba é operada por motor servo-controlado, mas isso torna o sistema complexo. Bombas são caracterizadas por capacidade de vazão, consumo de potência, velocidade de acionamento, pressão na saída e eficiência. Não são 100% eficientes. Eficiência pode ser especificada de duas formas: (1) eficiência volumétrica – razão entre volume real de fluido entregue e volume teórico máximo; (2) eficiência de potência – razão entre potência hidráulica de saída e potência mecânica/elétrica de entrada. Eficiência típica varia de 90% a 98%. Bombas hidráulicas são geralmente de dois tipos: (i) bomba centrífuga, (ii) bomba alternativa.

Atuadores Hidráulicos

Recebem energia de pressão e a convertem em força e movimento mecânico. Podem ser lineares ou rotativos. Atuador linear fornece força e movimento em linha reta. Mais comumente chamado cilindro, também referido como aríete, motor alternativo ou motor linear. Atuador rotativo produz torque e movimento rotativo. Mais comumente chamado motor hidráulico ou simplesmente motor.

Regulação de Pressão

Processo de redução de alta pressão de fonte para pressão de trabalho mais baixa adequada à aplicação. Tentativa de manter pressão de saída dentro de limites aceitáveis. Realizada usando regulador de pressão. Função principal: igualar vazão do fluido com a demanda, mantendo pressão de saída dentro de limites aceitáveis.

Válvulas

Usadas para controlar operação dos atuadores. Regulam pressão criando condições especiais de pressão e controlando quanto fluido fluirá em partes de um circuito e para onde irá. Três categorias: controle de pressão, controle de fluxo (volume) e controle direcional. Algumas válvulas têm múltiplas funções, enquadrando-se em mais de uma categoria. Válvulas são classificadas por tamanho, capacidades de pressão e queda de pressão/vazão.

Linhas de Tubulação

Três tipos comuns: tubos rígidos, tubos semi-rígidos e mangueiras flexíveis. Dois tipos de tubos para linhas hidráulicas: sem costura e soldados eletricamente. Ambos adequados. Conhecer vazão, tipo de fluido, velocidade do fluido e pressão do sistema ajuda a determinar o tipo de tubo. Mangueiras são usadas quando flexibilidade é necessária.

Conexões (Fittings)

Usadas para conectar unidades de um sistema hidráulico, incluindo seções individuais de um sistema circulatório. Muitos tipos de conectores disponíveis. Os tipos a usar dependem do tipo de sistema circulatório (tubo, tubulação ou mangueira flexível), meio fluido e pressão máxima de operação. Alguns tipos comuns: conectores roscados, conectores flare, acoplamentos de mangueira flexível e conexões reutilizáveis.

Diagramas de Circuitos Hidráulicos

Desenhos completos de um circuito hidráulico. Incluem descrição, sequência de operações, notas e lista de componentes. Diagramas precisos são essenciais para projetistas, construtores e mantenedores. Existem quatro tipos: bloco, corte, pictórico e gráfico. Mostram: (i) componentes e como interagem, (ii) como conectar componentes, (iii) como o sistema funciona e o que cada componente faz.

• Diagrama de blocos: mostra componentes com linhas entre blocos, indicando conexões e/ou interações.
• Diagrama de corte: mostra construção interna dos componentes e caminhos de fluxo. Por usar cores, sombreamentos ou padrões nas linhas e passagens, pode mostrar diferentes condições de fluxo e pressão.
• Diagrama pictórico: mostra arranjo de tubulação do circuito. Componentes vistos externamente, geralmente em reprodução próxima de formas e tamanhos reais.
• Diagrama gráfico: sistema de abreviação da indústria, geralmente preferido para projeto e solução de problemas. Símbolos geométricos simples representam componentes, seus controles e conexões.

A Figura 2 mostra um diagrama gráfico típico para circuito hidráulico.

Figura 2 – Diagrama gráfico típico para circuito hidráulico