Comandos e sistemas hidráulicos
Hidráulica é uma palavra que vem do grego e é a união de hydro = água, e aulos = condução/tubo é, portanto, uma parte
da física que se dedica a estudar o comportamento dos
fluidos em movimento e em repouso. É responsável pelo conhecimento das leis que
regem o transporte, a conversão de energia, a regulação e o controle do fluido
agindo sobre suas variáveis (pressão, vazão, temperatura, viscosidade, etc).
A hidráulica pode ser dividida
em três capítulos, para
efeito de estudo apenas: a hidrostática que trata dos fluidos parados, a hidrocinética, que
estuda os fluidos em movimento, levando em consideração os efeitos da
velocidade e a hidrodinâmica que leva em consideração as forças
envolvidas no escoamento dos fluidos (forças da gravidade, da pressão, da tensão tangencial, da viscosidade, da compressibilidade e outras).
A hidráulica pode ser também
dividida em: teórica e prática. A hidráulica teórica também é conhecida na
física como Mecânica dos Fluidos e a hidráulica prática ou hidráulica
aplicada é, normalmente, também intitulada de Hidrotécnica. Dentre
as aplicações da hidráulica destacam-se as máquinas hidráulicas (bombas e turbinas), as
grandes obras de saneamento, fluviais ou marítimas, como as de usinas hidrelétricas, como a Usina hidrelétrica de Tucuruí, por
exemplo, diques, polderes, molhes, quebra-mares,portos , vias navegáveis, emissários submarinos, estações de tratamento de água e de esgotos, etc.
Para estudos hidráulicos
complexos de grandes obras e estruturas utilizam-se os chamados modelos físicos e/ou matemáticos em laboratórios.
Atuador
Atuador é um elemento que produz movimento,
atendendo a comandos que podem ser manuais, elétricos ou mecânicos. Como
exemplo, pode-se citar atuadores de movimento induzido por cilindros
pneumáticos (pneumática) ou cilindros hidráulicos (Hidráulica) e
motores (dispositivos rotativos com acionamento de diversas naturezas), estes
mecanismos transformam, em geral, a energia de entrada (diversas naturezas) em
movimentos que se pode considerar energia cinética.
Tal como o nome sugere, um servomecanismo deve obedecer comandos. Sendo geralmente
acoplados a um sistema conhecido como malha fechada, eles informam ao sistema
de comando se a tarefa solicitada foi executada. Uma das formas de fazer isso é
por meio de transdutores de posição como potenciometros e encoder´s.
Também são atuadores
dispositivos como válvulas,contatores, pás, cancelas ou qualquer elemento que
realize um comando recebido de outro dispositivo, com base em uma entrada ou
critério a ser seguido, também modificam o ambiente com ações.
Brunimento
Processo
O brunimento é feito com uma
ferramenta especial de retificação, constituída de segmentos de material
abrasivo, montados em grupo. Durante o processo, os grãos ativos dobrunidor entram em contato com a superfície da peça girando lentamente e
deslocando o brunidor ao longo da geratriz da superfície de revolução com movimentos alternativos de pouca amplitude e freqüência
relativamente grande. Ao girar, o brunidor faz um movimento vertical oscilante
de subir e descer.
A operação de brunimento é realizada
em cilindro de motores, alojamento de êmbolos hidráulicos, canos de canhão,
cilindros de freios tanto cilindro mestre quanto cilindro de roda, cilindro de
embreagem, comandos hidraulicos e válvulas, matrizes para parafuso entre
outros. Durante o giro e avanço, o brunidor é sempre guiado pela peça. O
brunimento externo é aplicado na usinagem de eixos e árvores.
Especificações de ferramentas de brunir
Os brunidores podem ser fabricados
em:
·
Abrasivos convencionais
·
Super abrasivos
Abrasivos Convencionais
Tipo de liga: Os brunidores com
abrasivos convencionais normalmente são fabricados com liga vitrificada
·
Oxido de alumínio: Aplicação em aço. Tubos hidráulicos.
·
Carboneto de silício: Aplicação Ferro fundido, materiais não
ferrosos,camisas e blocos de motores;
Super abrasivos
Tipos de liga: Resina, metálica,
galvânica.
·
CBN: Aplicação em aço temperado, tubos hidráulicos etc.
·
Diamante: Aplicação em aços, Ferro fundido, metal duro, cerâmica, etc.
Vantagens brunimento com super abrasivo
Longa vida, tolerâncias apertadas (cilindricidade, circularidade);
·
Redução no tempo de operação, tempo parada troca de pastilhas;
·
Remoção mais rápida, melhor acabamento;
Tipo de liga e aplicação
·
Resina: aplicado em metal duro, ferro fundido e cerâmica.
·
Metálica: Aplicado em aço temperado, aço mole e metais não ferrosos.
·
Galvânica: utilizado principalmente em desbaste lpócom remoção rápida.
Válvula
Podemos citar ainda como exemplo um atuador, as válvulas de
um motor a combustão.
válvula de um motor de combustão interna é um
dispositivo que visa permitir ou bloquear a entrada ou a saída de gases dos
cilindros do motor
Figura 1-Esquema de um cilindro com as válvulas no topo.
A válvula de um motor de combustão interna é um dispositivo que visa permitir ou bloquear a entrada ou a saída de
gases dos cilindros do motor.
Constituição e funcionamento
Identificação de componentes.
A válvula é constituída por uma
cabeça em forma de disco (1 na imagem da figura
ao lado) fixa a uma haste cilíndrica (2). A haste desliza dentro de uma
guia (7) constituída por metal que provoque reduzida fricção (ex: ferro fundido, bronze).
O topo da haste está em contacto
mecânico com um impulsor (4) que, accionado pelo came ou excêntrico (5)
da árvore de cames, provoca a sua abertura, possibilitando fluxo
(entrada ou saída) de gases do motor
Uma mola (3) assegura que a
válvula feche assim que cesse a pressão mecânica do came. Em alguns motores,
esse regresso da válvula à sua posição de repouso sobre o assento (6,
sede da válvula) é feito por comandos pneumáticos, e não mecânicos.
Válvulas desmodrómicas
Alguns motores de competição - da Mercedes Benz em meados dos anos 50 e actualmente os das motos Ducati - têm um tipo de válvulas em que o movimento de fecho também é forçado
pelo excêntrico da árvore de comando de válvulas, não existindo assim a mola de
retorno. Este sistema é chamado de desmodrómico, por derivação do grego desmos (controlado, ligado) e dromos (curso, percurso).1 2 pág.58
Sistemas como o Honda VTEC e o BMW Valvetronic possibilitam
controlar eletronicamente a abertura das válvulas.3 4 Tal controle pode aumentar a
eficiência do motor, dado que, com o comando mecânico (pela árvore de cames),
algumas rotações são mais favorecidas do que outras, a depender do ângulo entre
cames de admissão/exaustão.
Tipo de válvulas
Figura 3-Animação de válvulas em funcionamento.
Num motor de combustão interna
existem dois tipos de válvulas:
·
as válvulas de admissão(à direita na figura 3), que controlam a entrada
de mistura gasosa no cilindro do motor, e
·
as válvulas de escape(à esquerda), que permitem a saída dos gases após a
explosão.
Em alguns motores, a cabeça da
válvula de admissão tem uma dimensão superior à de escape visando facilitar a
entrada de gases no cilindro.
A cabeça das válvulas de admissão
atinge uma temperatura de cerca de 250 °C e a sua haste é sujeita a cerca
de 100 °C, enquanto que as válvulas de escape atingem temperaturas
bastante superiores: 750º na cabeça da válvula e 400º na respectiva haste.
A elevada temperatura das válvulas de escape
faz com que algumas delas sejam ocas, tendo no interior sódio que, fundido a
cerca de 100 °C e deslocado pelo movimento alternado da válvula, permite
que o calor gerado se dissipe rapidamente e a válvula seja sujeita a um menor
desgaste.
Disposição e número de válvulas por
cilindro
As válvulas podem ter duas
disposições face aos cilindros:
·
laterais também chamadas simplesmente SV, acrónimo do inglês Side Valve, ou
·
à cabeça(ou cabeçote no Brasil) chamadas OHV acrónimo de OverHead Valve.
Número de válvulas
De forma a aumentar a eficiência dos
motores, cada cilindro pode ter mais do que duas válvulas, sendo frequentes
cilindros com quatro válvulas, duas de admissão e duas de escape.
Os automóveis são por vezes
identificados pelo número total de válvulas que os seus motores possuem: um
motor de quatro cilindros com quatro válvulas por cilindro denomina-se um
"motor de dezesseis válvulas"(16 V), sendo um motor de 6 cilindros
com 4 válvulas denomina-se um 24V.
Desempenho das válvulas a alta rotação
Cabeça do motor desmontada, mostrando as válvulas.
Num motor a quatro tempos cada válvula abre e
fecha durante cada duas voltas da cambota ou virabrequim do motor. Em um motor
a 6.000 rpm, portanto, as válvulas são atuadas 3.000 vezes por minuto, ou 50
vezes por segundo.
A esta elevada velocidade a própria inércia da mola pode impedi-la de fechar totalmente e provocar vibrações que
impeçam o fecho correto das válvulas, prejudicando a performance do motor. Para
ultrapassar esta dificuldade, além dos comandos hidráulicos ou desmodrómicos já
referidos, podem ser usadas também duas molas concêntricas. Assim, além de
proteger-se o motor no caso de quebra de uma mola, fica assegurado um
funcionamento mais suave a altas rotações
Desgaste das válvulas
Nos motores mais antigos, a operação
de mudança de válvulas tinha que ser efetuada com regularidade devido ao
elevado desgaste provocado pelo seu funcionamento. A gasolina com adição de tetraetilchumbo (agora proibida na União Europeia e no Brasil) reduzia este
problema, pois o chumbo depositava-se no assentamento das válvulas.
O uso de ligas de aço mais
resistentes e o revestimento das cabeças e sedes das válvulas com estelite vieram tornar a operação de mudança de válvulas desnecessária, tornando
obsoleto o tetraetilchumbo.
Bomba hidráulica
Uma bomba hidráulica é um dispositivo que adiciona energia
aos líquidos, tomando energia mecânica de um eixo, de uma haste ou de outro
fluido: ar
comprimido e vapor são os mais usuais. As formas de
transmissão de energia podem ser: aumento de pressão, aumento de velocidade ou
aumento de elevação – ou qualquer combinação destas formas de energia. Como
consequência, facilita-se o movimento do líquido.1 É
geralmente aceito que o líquido possa ser uma mistura de líquidos e sólidos,
nas quais a fase líquida prepondera.
Outras máquinas destinadas a
adicionar energia aos fluidos na forma de vapor e gases só são chamadas de
bombas apenas eventualmente. Como exemplos, há a bomba
de vácuo, destinada a esgotar ar e gases, e a bomba
de ar, destinada a encher pneumáticos, bolas
de futebol, brinquedos e botes infláveis, etc. As máquinas que se destinam a
manusear ar, gases ou vapores são normalmente chamadas pelos técnicos de ventiladores
ou ventoinhas, sopradores ou compressores.
História
Bomba
romana no Museu Arqueológico Nacional em Madri, Espanha.
A primeira razão para o ser
humano necessitar de uma bomba foi a agricultura. Embora a agricultura esteja
em prática há mais de 10000 anos, os primeiros registros que temos de irrigação
são devidos aos egípcios. Inicialmente transportavam a água em potes, mas cerca
de 1500 a.C. apareceu a primeira máquina de elevação de água, a picota. Posteriormente apareceram o sarilho, usado para elevar um
balde, anora e a roda persa. Todas estas máquinas eram movidas por
trabalho humano ou animal. O sarilho é empregado ainda hoje no abastecimento de
água.
Um dos tipos mais antigos de
bomba foi o Parafuso de Arquimedes, empregado por Senaqueribe, Rei da Assíria, para
a irrigação dosJardins Suspensos da Babilônia e Nínive, no
século VII a.C. e posteriormente descritas em maior detalhe por Arquimedes no século III a.C.3As bombas alternativas a pistão ou
êmbolo já eram do conhecimento dos gregos e dos romanos. Ctesibius, por volta
de 250 a.C., inventou uma bomba alternativa movida por uma roda d’água,
construída por seu discípulo Hero de Alexandria.2 No Museu Arqueológico Nacional de
Espanha, em Madri, há uma bomba alternativa duplex, de acionamento
manual, fabricada entre os séculos I e II d.C. Esta bomba foi encontrada na
mina de Sotiel-Coronada en Calañas, Andaluzia, Espanha. No
século XIII d.C., al-Jazari descreveu e ilustrou diversos tipos de bombas,
entre outras, a bomba alternativa, o burrinho a vapor, a bomba de sucção e a
bomba de pistão.4 5
As bombas cinéticas, embora
fruto de conceitos muito antigos, só vieram a ser construídas para uso real no
início do século XIX. O inventor francês Denis Papin construiu uma "bomba
de ar" em fins do século XVII, mas carecia de um acionador adequado. O
nome deste aparelho,fole de Hesse, é uma homenagem ao patrono de Papin à
época, o príncipe de Hesse.
Tipos
Classificamos as bombas em dois
principais grupos: bombas de deslocamento
positivo e bombas cinéticas. Seus nomes descrevem o
método para mover o fluido.
Bombas de deslocamento positivo
Um
grande grupo eletrobomba para sistema
de abastecimento de água próximo
ao lago Hengstey,Alemanha.
Bomba
manual de água, de deslocamento positivo, alternativa, instalada em Košice-Ťahanovce,Eslováquia.
Uma bomba de deslocamento
positivo faz o fluido se mover isolando um volume determinado deste e aplicando
força (deslocando) aquele volume isolado para o bocal de descarga. Estas bombas
também são conhecidas como bombas
volumétricas. Uma bomba de deslocamento positivo pode ser classificada
como:
·
Bomba alternativa, ou
·
Bomba rotativa.
Bombas alternativas
As bombas alternativas usam um
arranjo de diafragma, pistão ou êmbolo e cilindro, com válvulas de sucção e
descarga integradas na bomba. Bombas desta categoria variam de monocilíndricas
(chamadas de simplex),
chegando em certos casos até nove cilindros.
A maioria das bombas
alternativas é de dois (duplex) ou três (triplex) cilindros. Além
disto, podem ser de ação
simples, onde o curso de sucção e descarga são independentes ou de ação dupla, succionando e
descarregando em ambos os sentidos. As bombas podem ser movidas diretamente a
ar comprimido, a vapor ou através de um mecanismo biela-manivela, este acionado
por um motor elétrico, de combustão interna através de polias e correias,
engrenagens ou mesmo com acionamento direto. Estas bombas foram largamente
empregadas no início da era industrial, no século XIX, como bombas de alimentação
de caldeiras. Embora sejam usadas ainda hoje, as bombas alternativas são mais
empregadas para o bombeamento de líquidos altamente viscosos, incluindo
concreto e petróleo.
Por questões hidráulicas, as
bombas alternativas tendem a apresentar números ímpares de pistões ou êmbolos,
sendo a única exceção o número 2. Portanto, a classificação de número de
êmbolos ou pistões costuma ser:
·
simplex para bombas com um único êmbolo ou pistão,
·
duplex para bombas com dois êmbolos ou pistões,
·
triplex para bombas com três êmbolos ou pistões,
·
quintuplex para bombas com cinco êmbolos ou pistões,
·
septuplex para bombas com sete êmbolos ou pistões
(rara),
·
nonuplex para bombas com nove êmbolos ou pistões
(rara).
Bombas de diafragma movidas a ar comprimido
Uma aplicação moderna de bombas
de deslocamento positivo são as bombas de diafragma. Sendo
movidas a ar comprimido, seu conceito de projeto é intrinsecamente seguro,
embora os fabricantes ofereçam modelos com certificação ATEX para atender aos
requisitos da indústria. São frequentemente empregadas em todas as indústrias.
Seu custo é relativamente acessível e podem ser empregadas para esgotar água de
diques de contenção até o bombeio de ácido clorídrico de tanques de armazenagem
(dependendo dos materiais do qual a bomba é fabricada - elastômeros e materiais
de construção do corpo). A sucção é geralmente limitada a uma elevação de cerca
de 6 metros, mas atende aos mais diversos níveis de elevação na descarga.
Bombas rotativas
As bombas rotativas isolam um
volume de fluido e o transportam de uma zona de baixa pressão para uma zona de
alta pressão. A característica comum é o acionamento através de um eixo que
gira.
Bomba de engrenagens
Uma das construções usuais para
estas bombas é a bomba de engrenagens, onde
um par de engrenagens gira dentro de uma carcaça com pequena folga entre o
externo da engrenagem e o interior da carcaça. O fluido ocupa o espaço entre
dois dentes e é transportado da área de sucção para a área de descarga. O que
impede o fluido de retornar entre os dentes da engrenagem para a sucção é
exatamente o dente da outra engrenagem, que ocupa o espaço entre os dentes.
Bombas de parafusos
Há diversos tipos de bombas de
dois parafusos, sendo as bombas de um parafuso também chamadas bombas de
cavidade progressiva. O parafuso de Arquimedes pode ser assim classificado. Há
outros tipos de bombas de parafuso com 2 e 3 parafusos, trabalhando dentro de
uma carcaça com pequenas folgas para o externo destes parafusos.
Bombas Cinéticas
As bombas cinéticas fornecem
energia continuamente a um fluido que escoa pelo interior dos elementos da
bomba. Esta transmissão de energia é frequentemente realizada por uma peça
dotada de palhetas que recebe energia mecânica de um eixo e onde as palhetas impulsionam
o fluido, transferindo energia hidráulica. As bombas cinéticas são também
chamadas bombas rotodinâmicas e turbobombas. Há diversas formas de bombas
cinéticas. Entre elas, há as bombas
centrífugas, bombas de
fluxo misto, as bombas
axiais, as bombas
regenerativas e as bombas de carcaça rotativa ou bombas
de tubo Pitot. Todas elas transmitem energia ao fluido empregando a
conversão de energia mecânica em energia cinética, podendo ser esta convertida
em energia de pressão ou energia potencial. As principais características das
bombas cinéticas são:
·
Adição contínua de energia ao fluido,
·
Conversão da velocidade adquirida em um aumento de pressão,
·
Conversão de pressão em energia potencial de posição (em algumas
bombas),
Aplicações
Bombas sempre foram usadas em
muitos pontos na sociedade para uma grande variedade de propósitos. Há muito
tempo, as aplicações incluíam o uso de cata-ventos ourodas
d'água no
bombeio de água para o consumo humano, para a irrigação ou para o consumo
animal. No presente, usamos bombas para irrigação, para abastecimento
de água corrente,
abastecimento de gasolina e outros combustíveis, sistemas de condicionamento de ar, refrigeração,
movimentação de produtos químicos, movimentação deáguas servidas,
combate a enchentes, serviços em embarcações, etc. Por causa da grande
variedade de aplicações, as bombas apresentam uma variedade extrema de formas e
tamanho: de muito grandes a muito pequenas, do manuseio de líquidos e de
misturas de líquido e sólidos, de pressões altas e baixas, de vazão ou caudal
pequenos e grandes. As bombas de líquidos e de misturas de líquido e sólidos
podem perder escorva e pode ser necessária a escorva da bomba, que é encher a
carcaça e as tubulações de sucção antes de iniciar o bombeio. A perda de
escorva é geralmente devida à entrada de ar no interior da bomba ou da
tubulação de sucção. As folgas de operação e os princípios de funcionamento das
bombas usadas para líquidos faz com que, quando bombeiam vapores ou gases, não
possam deslocar o ar, vapor ou gás devido à densidade muitas vezes menor destes
fluidos.
Especificações
As bombas são usualmente
selecionadas pela potência expressa em kW ou HP, vazão ou caudal,
pressão de descarga e pressão de sucção. Nas bombas cinéticas, é usual
expressar a pressão em altura de coluna do líquido bombeado, dada a forma como
a conversão de energia se processa. A altura de coluna pode ser fisicamente
materializada por uma coluna vertical de líquido em equilíbrio com a atmosfera.
Bombas no abastecimento público de água
No passado distante, era comum
a extração de água por meio de bombas manuais instaladas sobre um poço, onde as
pessoas poderiam extrair água para seu consumo. Isto era mais comum antes das
residências disporem de água canalizada. Destas bombas ficou a expressão
inglesa "parish pump" para o tipo de assunto que, no passado,
as pessoas conversavam ao ir apanhar água; também significa "assunto de
interesse puramente local". Como a água destas bombas é mais sujeita à
contaminação, já que é extraída diretamente do solo e não sofre qualquer
filtração, torna-se mais provável a ocorrência de doenças gastrointestinais.
Hoje em dia, as bombas manuais de extração de água ainda são a opção de
abastecimento de água de baixo custo mais sustentável em locais pobres, mais
frequentes em áreas rurais nos países em desenvolvimento. Uma bomba manual
permite o acesso a água de subsolo que frequentemente é menos poluída e reduz
as possibilidades de contaminação se comparada à extração tradicional através
de baldes. Bombas como a Afridev são concebidas para serem de construção e de
instalação de baixo custo e fáceis de manter com peças simples. No entanto, a
escassez de peças para este tipo de bombas em algumas regiões a torna menos
útil nestas áreas.
Acionamento
Bomba
acionada por um trator.
As bombas foram acionadas, na
antiguidade, por rodas d'água, cata-ventos e pela força muscular, fosse de
homens ou de animais. Embora ainda haja muitas bombas acionadas manualmente, a
grande maioria das bombas modernas é acionada por motores
elétricos. Em menor quantidade, são acionadas também por motores de combustão interna e por turbinas
a vapor ou a gás e motores hidráulicos.
Na atualidade, a grande maioria
das bombas é acionada por motores elétricos de corrente alternada. Seguem-se as
bombas acionadas a motores de combustão interna, as bombas acionadas
diretamente por ar comprimido e as acionadas a cata-ventos.
A energia solar pode ser
empregada para alimentar um motor elétrico em localidades remotas.
Galeria
Bomba
Doméstica de Calefação Central
Uma
bomba de dois lobos (de deslocamento positivo, rotativa)
Bomba
alternativa para poço de petróleo.
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