Hidráulica.

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Introdução - Hidráulica

Desde os cortadores de lenha até às enormes máquinas que você vê em canteiros de obras, as máquinas hidráulicas são impressionantes em temos de força e agilidade. Em qualquer construção você as máquinas operadas hidraulicamente, como por exexmplo, escavadeiras mecânicas, retroescavadeiras, carregadeiras, empilhadeiras e guindastes. Os sistemas de controle em qualquer avião também são acionados hidraulicamente. Você vê a hidráulica nas oficinas mecânicas, erguendo os carros para que os mecânicos possam trabalhar embaixo deles, e muitos elevadores são operados hidraulicamente usando a mesma técnica. Até mesmo os freios do seu carro usam a hidráulica.






Neste artigo, você aprenderá sobre os fundamentos básicos do funcionamento dos sistemas hidráulicos e, então, examinaremos várias peças diferentes de maquinário hidráulico encontrado em um canteiro de obras. Você ficará surpreso com a força e a versatilidade disponíveis nos sistemas hidraulicos.

Princípio básico

O princípio básico por trás de qualquer sistema hidráulico é muito simples: a força que é aplicada em um ponto é transmitida para outro ponto por meio de um fluido incompressível. O fluido é quase sempre algum tipo de óleo. A força é quase sempre amplificada no processo. A figura abaixo mostra um sistema hidráulico mais simples possível:

Um sistema hidráulico simples formado por dois pistões conectados por um tubo cheio de óleo

Ar no sistemaÉ importante que o sistema hidráulico não contenha bolhas de ar. Você já deve ter ouvido sobre a necessidade de "retirar o ar das linhas de freio" do seu carro. Se houver uma bolha de ar no sistema, a força aplicada ao primeiro pistão é utilizada para comprimir o ar na bolha em vez de mover o segundo pistão, o que tem um grande efeito sobre a eficiência do sistema.

Neste desenho, dois pistões (vermelho) se encaixam em dois cilindros de vidro cheios de óleo (azul claro) e são conectados um com o outro através de um tubo cheio de óleo. Se você aplicar uma força descendente no primeiro pistão (o da esquerda), então a força é transmitida para o segundo pistão através do óleo no tubo. Se o óleo for incompressível, a eficiência é muito boa, praticamente toda a força aplicada no primeiro pistão aparece no segundo. A melhor coisa dos sistemas hidráulicos é que o tubo que conecta os dois cilindros pode ser de qualquer comprimento e tamanho, permitindo que ele desvie de qualquer obstáculo que separe os dois pistões. O tubo também pode bifurcar-se, de maneira que um cilindro mestre possa ativar mais de um cilindro secundário se necessário.
O interessante sobre sistemas hidráulicos é que se torna muito fácil multiplicar ou dividir a força aplicada ao sistema. Se você já leu Como funciona o sistema de roldana, provavelmente sabe que trocar força por distância é muito comum em sistemas mecânicos. Em um sistema hidráulico, tudo que você precisa fazer é mudar o tamanho de um pistão e cilindro em relação ao outro, como mostrado aqui:

 O pistão à direita tem uma área superficial 9 vezes maior que a do pistão à esquerda

Para determinar o fator de multiplicação, comece olhando o tamanho dos pistões. Suponha que o pistão à esquerda tem 5 cm de diâmetro (2,5 cm de raio), enquanto o pistão à direita tem 15 cm de diâmetro (7,5 cm de raio). A área dos dois pistões é pi * r². A área do pistão esquerdo é conseqüentemente 19,6 enquanto a área do pistão à direita é 176,6 cm ². O pistão à direita é 9 vezes maior que o pistão à esquerda. Isso significa que qualquer força aplicada ao pistão à esquerda parecerá 9 vezes maior no pistão à direita. Então, se você aplicar uma força descendente de 45 kgf ao pistão da esquerda, uma força ascendente de 400 kgf aparecerá à direita. O único problema é que você terá que empurrar o pistão da esquerda 9 cm para erguer o pistão da direita 1 cm.

Os freios do seu carro são um bom exemplo de um sistema hidráulico movido a pistão. Quando você pisa no pedal do freio em seu carro, ele está empurrando o pistão do seu cilindro mestre. Quatro pistões secundários, um em cada roda, atuam para pressionar as pastilhas de freio contra o disco ou o tambor do freio para parar o carro (na verdade, em quase todos os carros mais recentes, dois cilindros mestre controlam simultaneamente dois cilindros secundários. Assim, se um dos cilindros tiver um problema ou um vazamento, ainda é possível frear o carro.
Na maioria dos outros sistemas hidráulicos, cilindros hidráulicos e pistões são conectados por válvulas a uma bomba que fornece óleo de alta pressão. Você aprenderá sobre estes sistemas nas seções seguintes.

Como funcionam os cortadores de lenha

O dispositivo hidráulico mais simples encontrado hoje em dia é a rachadora de lenha. Ela contém todos os componentes básicos de uma máquina hidráulica:

• um motor, normalmente um pequeno motor 4 tempos a gasolina, fornece potência para o sistema. Esse motor é ligado a uma bomba hidráulica de óleo
• uma bomba hidráulica de óleo cria um fluxo de óleo de alta pressão, que segue para uma válvula
• a válvula permite que o operador ative o cilindro hidráulico para cortar a tora de madeira
• há também um tanque para conter o óleo hidráulico que alimenta a bomba, e geralmente um filtro para manter o óleo limpo

Os componentes principais de um cortador de lenha são mostrados abaixo:



Em corte transversal, as partes hidráulicas importantes do cortador de lenha são assim:


O óleo de alta pressão da bomba é mostrado em azul claro e o óleo de baixa pressão, que retorna para o tanque, é mostrado em amareloNa figura acima você pode ver como a válvula pode aplicar pressão no pistão tanto para frente como para trás. A válvula usada aqui, aliás, é chamada "válvula carretel" por causa de sua semelhança com um carretel de linha.
Vamos ver alguns detalhes desses componentes para descobrir como funciona um sistema hidráulico de verdade. Se você for a uma loja de materiais de construção local, ou a um lugar como a Northern Tool and Equipment e observar os cortadores de lenha, vai descobrir que o equipamento padrão tem:

• um motor a gasolina de 5 HP
• uma bomba de óleo hidráulica de dois estágios, com vazão nominal de 40 litros por minuto (11 litros por minuto a 2.500 psi)
• um cilindro hidráulico de 10 cm de diâmetro e 60 cm de comprimento
• uma força de corte calculada em 20 toneladas
• um tanque de óleo hidráulico de 14 litros

Uma bomba de 2 estágios permite uma grande economia de tempo. A bomba, na verdade, contém duas seções de bombeamento e uma válvula reguladora de pressão interna que fica entre elas. Uma seção da bomba desloca a máxima vazão possível em baixa pressão. É usada, por exemplo, para recolher o pistão após uma tora ter sido cortada, o que exige pouca força e deve acontecer rapidamente. Assim, isso requer maior vazão possível em baixa pressão. Já empurrar o pistão para cortar a tora requer a maior pressão possível. A vazão não é um grande problema e, assim, a bomba alterna para seu estágio de "alta pressão - menor vazão" para cortar a tora. Você perceberá que o anúncio de "força de corte de 20 toneladas" é 'generoso'. Um pistão de 10 cm tem uma área de 78,5 cm². Se a bomba gerar uma pressão máxima da ordem de 210 kgf por cm² (3000 psi), a pressão total disponível é de cerca de 16.500 kg ou aproximadamente 3.500 kg a menos que 20 toneladas.
Outra coisa que você pode determinar é o tempo do ciclo do pistão. Para mover um pistão de 10 cm de diâmetro em 60 cm, você precisa de 3.14 * 5² * 60 = 4710 cm³ de óleo. Ou seja, você precisa bombear quase 5 litros de óleo para mover um pistão de 60 cm em uma direção. Essa é uma quantia considerável de óleo para bombear, pense nisso na próxima vez que observar com que rapidez uma retroescavadeira ou minicarregadeira hidráulica pode se mover. Em nosso cortador de lenha, a taxa de fluxo máxima é de 40 litros por minuto. Isso significa que vai demorar aproximadamente 10 segundos para recolher o pistão após cortar uma tora, e que pode demorar aproximadamente 30 segundos para empurrá-lo novamente (porque a vazão é mais baixa em alta pressão).
Você pode observar, a partir do exexmplo acima, que para encher o cilindro você precisará de pelo menos 6 litros de óleo hidráulico no sistema e que um lado do cilindro tem mais capacidade que o outro, porque tem a haste do pistão tomando espaço, enquanto o outro não. Deste modo, máquinas hidráulicas grandes normalmente têm:

• necessidade de grandes quantidades de óleo hidráulico: se 6 ou 8 cilindros hidráulicos estiverem sendo usados para operar a máquina, não é raro se utilizarem até 400 litros de óleo;
• grandes reservatórios externos para armazenar a diferença de volume de óleo deslocada pelos 2 lados de qualquer cilindro.

Agora que você entende os fundamentos de um sistema hidráulico simples, podemos ver alguns equipamentos realmente interessantes.

Máquinas hidráulicas pesadas

Um dos melhores locais para observar grandes máquinas hidráulicas é uma construção. O mais impressionante dessas máquinas é seu tamanho. Por exemplo, aqui está uma escavadeira de porte médio:




Esta máquina pesa mais de 28 toneladas, mas ela pode ser bastante rápida em suas ações. A pá pode pegar mais de 1 cm ³  de entulho, que pesa aproximadamente de 1 a 1,5 toneladas, e mover-se sem nenhuma dificuldade. Mover uma pessoa seria incrivelmente fácil:




Para ter esse tipo de agilidade, esta escavadeira específica usa um motor a diesel de 8.3 litros capaz de gerar 340 HP. O motor é conectado a um par de bombas que podem gerar 530 litros por minuto a 4.500 psi. O pistão hidráulico mede 13,75 cm de diâmetro com hastes de 10 cm de diâmetro. Além disso, há um motor hidráulico para cada esteira e outro que pode movimentar a cabine e o braço a 11 rpm.
Você pode ver na figura que o braço tem um par de pistões trabalhando em conjunto: um no "ombro", um no "cotovelo" e finalmente outro para movimentar a pá. Estes pistões, juntamente com os das duas esteiras e o motor giratório, são controlados por dois controles de alavanca e quatro pedais na cabine:




Estes controles enviam sinais elétricos para um bloco de válvulas acionadas eletricamente, localizado ao lado da bomba:




Do bloco de válvula, linhas hidráulicas de alta pressão chegam aos cilindros:




EsteirasAs esteiras são interessantes. Se você observar as esteiras em qualquer máquina pesada, descobrirá que há um motor hidráulico em uma ponta, uma roda dentada livre na outra, e finalmente um conjunto de cilindros para a esteira se mover, como mostrado aqui:












EscavadeiraAqui estão as especificações para a escavadeira Halla HE280LC:
Geral

• Peso: 28,2 toneladas
• Comprimento: 10,6 metros
• Largura: 3,2 metros
• Altura: 3,3 metros
• Altura livre do chão: 0,5 metros
• Largura da pá: 1,3 metros
• Capacidade da pá: 1,1 metros cúbicos

Alcance de trabalho

• Profundidade de escavação: 7,5 metros
• Profundidade de escavação vertical: 5,7 metros
• Alcance: 10 metros

Direção

• Velocidade máxima: 4,9 km/h
• Força máxima de tração: 25,143 kgf
• Velocidade de giro: 11 rpm
• Força máxima de escavação:
  • pá: 18 toneladas
  • haste: 14 toneladas
• Pressão sobre o solo: 7,7 psi

Motor

• Cummins 6CT 8.3-C
• 8.270 centímetros cúbicos
• 340 HP a 1.900 rpm

Bomba

• Pressão máxima: 5 mil psi (4.500 psi típico)
• Vazão de óleo: 2 x 270 litros por minuto

Capacidades

• Combustível: 530 litros
• óleo de motor: 22 litros
• óleo hidráulico: 320 litros Minicarregadeiras
• Outro tipo de equipamento comum em canteiros de obras é a minicarregadeira, também conhecida como "Bobcat", nome dado por seu primeiro fabricante:
  
  Minicarregadeiras têm 3 pares de pistões:
  
  • o primeiro par ergue e abaixa a pá:
  
  
  
  
  • o segundo par gira a pá para esvaziar seu conteúdo;
  • o terceiro par divide a pá de maneira que possa ser usada para pegar coisas, como toras, por exemplo:
  
  
  Também há motores hidráulicos nas 4 rodas.

Minicarregadeiras

Outro tipo de equipamento comum em canteiros de obras é a minicarregadeira, também conhecida como "Bobcat", nome dado por seu primeiro fabricante:




Minicarregadeiras têm 3 pares de pistões:

• o primeiro par ergue e abaixa a pá:

• o segundo par gira a pá para esvaziar seu conteúdo;
• o terceiro par divide a pá de maneira que possa ser usada para pegar coisas, como toras, por exemplo:

Também há motores hidráulicos nas 4 rodas.

Caminhão basculante

Um caminhão basculante não é muito mais complicado que o cortador de lenha que vimos previamente, geralmente tem um cilindro ou um par de cilindros que erguem a caçamba. A única coisa especial sobre estes cilindros é que, na maioria das vezes, eles são telescópicos, tendo um grande alcance.