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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
Engenharia Mecânica Automação e Sistemas
PROJETO DE BANCADA HIDRÁULICA DE TESTTES DE VÁLVULAS DIRECIONAIS
Felipe dos Santos Alves
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
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PROJETO DE BANCADA HIDRÁULICA DE TESTES DE VÁLVULAS DIRECIONAIS
Felipe dos Santos Alves
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 USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof. Paulo Silveira USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
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A minha mãe e meus padrinhos, sem os quais não chegaria até aqui.
Sou eternamente grato a todos.
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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.
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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 vi
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
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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
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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
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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
x
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.
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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.
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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] ܯܧ = ܯܧ
Onde:
Equação 2.1
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
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energias e características físicas do fluido e do sistema pelo qual o fluido irá atuar. ܼଵ +
భ ఊ
+
భ ² ଶ
− ݂ܪଵିଶ + ܼ = ܾܪଶ +
మ ఊ
+
మ ² ଶ
Equação 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. మ
ଶ
: Energia cinética do fluido de trabalho em cada um dos pontos.
Hfଵିଶ: 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. tubulação tubulação de pressão tubulação de retorno tubulação de sucção
20 300
pressão (bar) 50 100 >200 400 500 600 velocidade (cm/ s) 300 100
Tabela 2.1 Velocidades recomendadas [1].
Para estabelecer os diâmetros mínimos necessários às tubulações utilizase a seguinte expressão: ݀ = ݐඨ
ܳ 0,015. ߨ. ݒ
Equação 2.3 [1]
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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 ∗ ܳܤ ݊ ∗ ݊௩
Equação 2.4 [1]
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: ∆ܲ = ߖ ∗
5 ∗ ݒ ∗ ߩ ∗ ݐܮ² ݀ ∗ ݐ10ଵ
Equação 2.5 [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);
•
ଵభబ
ହ
= Fator de conversão.
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O fator de atrito pode ser determinado pela tabela 2.2.2 conforme apresentado abaixo:
Ψ
64/Re
para tubos rígidos e temperatura constante
75/Re
Para tubos rígidos e temperatura variável ou tubos flexíveis e temperatura constante Para tubos flexíveis e temperatura variável
90/Re
Tabela 2.2: Fator de atrito [1].
Reynolds: ܴ݁ =
ݒ. ݀ݐ ߴ
Equação 2.6: número de Reynolds [1].
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.
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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]
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.
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Figura 2.2: Cilindro hidráulico em corte. [3]
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]
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Figura 2.4: Figura esquemática de uma válvula
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]
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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.
Figura 2.6: símbolo da válvula direcional 4/3 vias com centro normal fechado.
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.
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2.5.2 Válvula 4/3 vias com centro normal com recirculação de vazão da bomba
Figura 2.7: símbolo da válvula direcional 4/3 vias com centro normal com recirculação de fluido.
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.
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A figura 2.8 mostra o símbolo que designa esse tipo de válvula. 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
Figura 2.9: símbolo da válvula direcional 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 2.10: símbolo da válvula direcional 4/3 vias com vias de centro de trabalho pressurizados.
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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”
Figura 2.11: símbolo da válvula direcional 4/2 vias com comutação em “a”.
A figura 2.11 mostra o símbolo que designa esse tipo de válvula. 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 13
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.
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Figura 2.13: válvula limitadora de pressão. [5]
1. Cone de vedação 3. Mola 5. Encaixe do parafuso
2. Sede da válvula 4. Botão de ajuste 6. Porca de trava
Tabela 2.3: componentes da válvula limitadora de pressão. [5]
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]
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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.
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Tabela 3.1: Síntese resumida do funcionamento das válvulas direcionais
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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 .
Saída “B” para circuito adjacente
Saída “A” para circuito adjacente
Área que a válvula direcional ocupa com relação à placa de ligação Saída “T” para o tanque Entrada “P” de fluido
Figura 3.1: vista superior da placa de ligação.
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Figura 3.3: vista superior em corte da placa de ligação.
A figura 3.3 mostra um exemplo de um possível circuito hidráulico utilizando uma válvula direcional de centro normal com recirculação do fluido.
Placas de orifício para medição da velocidade de escoamento do fluido.
Manômetro
Figura 3.3: exemplo de circuito hidráulico da bancada com 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.
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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".
Figura3.4: vistas do modelo 3D da placa de ligação e válvula direcional montadas.
A sugestão para o cronograma para a realização do projeto segue abaixo na tabela 3.2:
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Tabela 3.2: cronograma sugerido para o desenvolvimento do projeto. 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª semana semana semana semana semana semana semana 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
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.
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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
݈ ݉݅݊
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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 ܽݐݎçã
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 equivalentes são mostrados na tabela 3.3.
seus
respectivos
comprimentos
Tabela 3.3: relação das singularidades na instalação comprimento equivalente (Leq.) (cm)
comprimento quantidade 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) ߖ=
75 ܴ݁
Aplicando as equações para óleo LUBRAX HR 68 EP (ISO VG 68) (um doa óleos recomendados pela Rexroth para a bancada): ܴ݁ = 596,9
Escoamento laminar
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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)temse:
∆ܲ ≅ 0,52 ܾܽݎ
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)
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Tabela 3.4Relação das curvas de perda de carga nas válvulas direcionais conforme o tipo. (Rexroth)
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.
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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
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