Uma bomba hidráulica, uma válvula e um cilindro podem, cada um, cumprir as suas especificações individuais, mas isso não significa necessariamente que funcionem bem em conjunto. Em muitos sistemas hidráulicos, o fraco desempenho deve-se à incompatibilidade entre os componentes e não a um componente defeituoso.
O cilindro determina a quantidade de força e o caudal de óleo de que a máquina necessita. A bomba deve fornecer o caudal necessário à pressão exigida, enquanto as válvulas devem controlar esse caudal sem provocar perdas de pressão excessivas nem restringir o movimento do atuador.
Uma sequência prática de correspondência é:
Carga e velocidade → Cilindro → Pressão e caudal necessários → Bomba → Válvulas → Verificação do sistema
Compreender esta relação ajuda a evitar problemas comuns, tais como força insuficiente do cilindro, movimento lento, aquecimento excessivo e consumo desnecessário de energia.
Inicie a adaptação do sistema hidráulico a partir do cilindro
Ao selecionar componentes hidráulicos, o cilindro é normalmente o melhor ponto de partida, uma vez que converte a energia hidráulica na força e no movimento efetivos exigidos pela máquina.
Os principais parâmetros do cilindro são o diâmetro interno, o diâmetro da haste, o curso, a pressão de trabalho e a velocidade de deslocamento necessária. O diâmetro interno determina a área do pistão e, por isso, influencia significativamente tanto a força como o consumo de óleo.
A relação básica entre a força e o diâmetro do cilindro é a seguinte:
F = P × A
onde F é a força, P é a pressão e A é a área efetiva do pistão.
Um diâmetro interior maior produz mais força à mesma pressão, mas também requer mais óleo hidráulico para a mesma velocidade de movimento. Isto significa que a alteração do tamanho do cilindro pode afetar tanto os requisitos da bomba como os da válvula.
No caso de um cilindro de haste única, a retração também deve ser verificada separadamente, uma vez que a haste reduz a área efetiva do lado da haste. A força de retração é, por isso, inferior à força de extensão, enquanto a velocidade de retração é normalmente superior quando é fornecido o mesmo caudal.
Ajustar a pressão da bomba hidráulica à força do cilindro
Assim que se conhecerem o diâmetro interior do cilindro e a força necessária da máquina, é possível calcular a pressão de funcionamento aproximada.
Por exemplo, um cilindro com diâmetro interno de 80 mm tem uma área do pistão de aproximadamente 5 027 mm². A 160 bar, a sua força de extensão teórica é de aproximadamente:
F = P × A ≈ 80 kN
A potência real do cilindro será ligeiramente inferior devido ao atrito mecânico e às perdas de pressão hidráulica.
Por conseguinte, a bomba tem de funcionar a uma pressão suficiente para superar a carga e as perdas do circuito. No entanto, isso não significa que a escolha de uma bomba com uma pressão muito mais elevada melhore automaticamente o desempenho do sistema.
Os cilindros, as bombas, as válvulas, as mangueiras, os racores e os coletores têm, todos, valores nominais de pressão. A pressão de serviço do sistema hidráulico e o ajuste da válvula de alívio devem permanecer dentro dos valores nominais admissíveis de todo o circuito.
Um erro comum na escolha do cilindro consiste em tentar resolver o problema da força insuficiente do cilindro simplesmente aumentando a pressão do sistema. Se o cilindro for demasiado pequeno para a carga, escolher o tamanho correto do cilindro pode ser uma solução melhor do que aumentar continuamente a pressão.
Ajustar o caudal da bomba hidráulica à velocidade do cilindro
A pressão determina se o cilindro consegue superar a carga, enquanto o caudal determina a rapidez com que se move.
A velocidade do cilindro pode ser estimada a partir de:
v = Q ÷ A
onde v é a velocidade do cilindro, Q é o fluxo e A é a área efetiva do pistão.
Suponha que um cilindro com um diâmetro interior de 80 mm necessite de uma velocidade de extensão de 0,08 m/s. O caudal teórico necessário é aproximadamente:
24 L/min
A bomba deve, portanto, fornecer aproximadamente este caudal útil para que o cilindro atinja a velocidade pretendida.
A cilindrada da bomba, a velocidade de rotação e a eficiência volumétrica determinam o caudal disponível:
Caudal da bomba ≈ Cilindrada × RPM × Eficiência volumétrica
A bomba propriamente dita deve ser selecionada tendo em conta as perdas do sistema e as condições reais de funcionamento, em vez de se procurar corresponder exatamente à procura teórica do cilindro.
Se for necessário que vários cilindros ou motores hidráulicos funcionem em simultâneo, as respetivas necessidades de caudal também devem ser consideradas em conjunto. Uma bomba dimensionada apenas para um atuador pode provocar um abrandamento de todas as funções quando várias delas estão em funcionamento ao mesmo tempo.
Ajustar as válvulas hidráulicas ao caudal da bomba
Assim que o caudal da bomba estiver estabelecido, as válvulas têm de ser capazes de gerir esse caudal de forma eficiente.
Uma válvula demasiado pequena cria uma restrição. À medida que o óleo passa por um percurso de fluxo restritivo, a pressão diminui ao longo da válvula. Isto reduz a pressão disponível para o atuador e converte a potência hidráulica em calor.
Por este motivo, a seleção da válvula deve ter em conta caudal nominal e queda de pressão prevista, e não apenas o tamanho da porta.
Por exemplo, se o cilindro necessitar de aproximadamente 24 L/min, a válvula direcional deverá ter uma capacidade de caudal contínuo significativamente superior ao caudal de funcionamento real nas condições de pressão previstas. Sempre que disponíveis, devem ser consultadas as curvas de caudal-pressão do fabricante.
O mesmo princípio aplica-se aos controlos de caudal, válvulas de retenção, válvulas de contrapeso e passagens do coletor. Um único componente com dimensões insuficientes pode limitar o desempenho de todo o sistema hidráulico.
Correlacionar as funções das válvulas hidráulicas com o comportamento dos cilindros
A capacidade de caudal é apenas um dos aspetos a ter em conta na seleção de uma válvula. A configuração da válvula também deve corresponder ao modo como se prevê que o cilindro funcione.
Um cilindro de dupla ação requer, normalmente, uma válvula direcional capaz de fornecer e retornar óleo de ambas as câmaras do cilindro. Um cilindro de ação simples pode utilizar um sistema de válvulas diferente, uma vez que a pressão hidráulica move normalmente o cilindro numa única direção.
As condições de carga também são importantes. Um cilindro sujeito a carga vertical pode necessitar de uma válvula de retenção pilotada ou de uma válvula de contrapeso para impedir movimentos descontrolados. Um cilindro que necessite de velocidade ajustável pode requerer controlo de caudal, enquanto as aplicações que exijam velocidade ou posição continuamente variáveis podem recorrer ao controlo proporcional.
Por conseguinte, a correspondência das válvulas deve responder a duas questões:
A válvula consegue suportar a pressão e o caudal necessários?
e
A válvula proporciona a função de controlo exigida pelo atuador?
Ambos têm de estar corretos para que o sistema hidráulico funcione corretamente.
Verificar a perda de pressão ao longo de todo o circuito hidráulico
A pressão da bomba não é a mesma que a pressão que chega, por fim, ao cilindro.
O óleo pode passar por válvulas direcionais, reguladores de caudal, mangueiras, conexões, filtros e coletores antes de chegar ao atuador. Cada componente provoca alguma perda de pressão.
Por exemplo, se a pressão de saída da bomba for de 160 bar, mas o circuito perder 10 bar antes do cilindro, apenas cerca de 150 bar estarão disponíveis no atuador nessas condições de funcionamento.
A perda de pressão também gera calor. A potência hidráulica aproximada perdida devido a uma restrição pode ser estimada a partir de:
Perda de potência (kW) = Queda de pressão (bar) × Caudal (L/min) ÷ 600
É por isso que dimensionar a bomba em excesso e, em seguida, limitar fortemente o caudal numa válvula é, normalmente, ineficiente. O sistema pode ainda atingir a velocidade necessária do cilindro, mas o caudal desnecessário da bomba está a ser convertido em calor.
Uma boa combinação de componentes hidráulicos tem como objetivo fornecer a pressão e o caudal necessários sem criar restrições excessivas.
Exemplo de combinação de uma bomba, uma válvula e um cilindro
Considere um sistema hidráulico simples com os seguintes requisitos para o cilindro:
| Parâmetro | Exemplo |
|---|---|
| Diâmetro do cilindro | 80 mm |
| Diâmetro da haste | 40 mm |
| Velocidade de extensão necessária | 0,08 m/s |
| Pressão de serviço | 160 bar |
| Requisitos de fluxo da extensão | Aprox. 24 L/min |
| Força de extensão teórica | Aprox. 80 kN |
O requisito relativo ao cilindro indica-nos que a bomba deve fornecer aproximadamente 24 L/min de caudal útil à pressão de funcionamento necessária.
A bomba deve, portanto, ser selecionada de acordo com o caudal pretendido, a pressão de funcionamento, a velocidade da bomba e a eficiência esperada. A válvula direcional e as outras válvulas de controlo devem ter valores nominais de pressão adequados ao sistema e capacidades de caudal significativamente superiores ao caudal real de funcionamento.
A lógica completa de correspondência é a seguinte:
Cilindro de 80 mm
→ requer aproximadamente 160 bar para a força pretendida
→ requer aproximadamente 24 L/min para a velocidade pretendida
→ determina o necessário Pressão e caudal da bomba
→ determina o necessário Pressão da válvula e capacidade de caudal
→ seguida da verificação de Perda de pressão, calor e comportamento de controlo
Esta abordagem é mais fiável do que selecionar a bomba, a válvula e o cilindro separadamente.
Erros comuns na escolha de componentes hidráulicos
Um erro comum é combinar componentes apenas com base na pressão máxima. Dois componentes podem ter ambos uma pressão nominal de 250 bar, mas isso não significa que as suas capacidades de caudal ou características de controlo sejam compatíveis.
Outro erro consiste em selecionar válvulas apenas com base no tamanho da ligação. Duas válvulas com o mesmo tamanho de porta podem apresentar capacidades de caudal internas e quedas de pressão muito diferentes.
As bombas sobredimensionadas também podem causar problemas. Um maior caudal nem sempre é melhor. Se o cilindro não necessitar do caudal adicional, poderá ser necessário regulá-lo ou devolvê-lo ao reservatório, o que aumenta o consumo de energia e a geração de calor.
O segredo está em combinar requisitos de força e velocidade do cilindro em função da pressão e do caudal da bomba e, em seguida, certifique-se de que as válvulas conseguem controlar esse caudal de forma eficiente e segura.
Conclusão: Integrar o sistema hidráulico como um único sistema
As bombas, válvulas e cilindros hidráulicos nunca devem ser selecionados como componentes totalmente independentes.
Comece por analisar a carga e o movimento necessário. Utilize estes requisitos para determinar o tamanho do cilindro, a pressão de funcionamento e o caudal necessário. Em seguida, selecione uma bomba capaz de fornecer essa pressão e esse caudal, e depois as válvulas que possam suportar a capacidade necessária e proporcionar as funções de controlo adequadas.
A relação de correspondência fundamental é:
Força do cilindro → Pressão
Velocidade do cilindro → Caudal
Bomba → Fornece pressão e caudal
Válvulas → Controlo da pressão, do caudal e da direção
Quando estes componentes são combinados corretamente, o sistema hidráulico consegue atingir a força, a velocidade e o controlo necessários, reduzindo simultaneamente as perdas de pressão desnecessárias, a geração de calor e o sobredimensionamento dos componentes.
Precisa de ajuda para combinar os componentes do sistema hidráulico?
A AISOAR fornece unidades de potência hidráulica personalizadas e soluções para sistemas hidráulicos de acordo com as especificações dos cilindros, a pressão, o caudal, o ciclo de trabalho e os requisitos de controlo exigidos.
No caso de um projeto de sistema hidráulico para um fabricante de equipamento original (OEM), indicar o diâmetro interno do cilindro, o diâmetro da haste, o curso, a força necessária, a velocidade de movimento, o ciclo de funcionamento e a fonte de alimentação disponível pode ajudar a nossa equipa de engenharia a avaliar uma configuração adequada de bomba, válvula e sistema hidráulico.
