Depois de determinado o tipo de banco de ensaio hidráulico, o passo seguinte consiste em definir as suas especificações técnicas. Isto implica traduzir o procedimento de ensaio em termos de pressão, caudal, potência hidráulica, capacidade de medição, funções de automatização e capacidade térmica de que a máquina necessita efetivamente.
Um erro comum é começar com os valores mais elevados possíveis. Uma pressão nominal mais elevada, uma maior capacidade de caudal ou um motor mais potente podem parecer tornar uma bancada de ensaio mais eficiente, mas um sobredimensionamento desnecessário pode aumentar os custos, o consumo de energia, a geração de calor, o tamanho dos componentes e a complexidade do sistema.
A melhor abordagem consiste em definir o envelope operacional real do ensaio e construir o banco de ensaio em torno dele.
Como determinar a pressão de ensaio necessária
A pressão exigida deve basear-se na pressão mais elevada que tenha de ser gerada durante o procedimento de ensaio, e não simplesmente na pressão normal de funcionamento do componente.
Por exemplo, um cilindro hidráulico pode funcionar a uma determinada pressão na máquina, mas exigir um ensaio de pressão de prova mais elevada durante a produção ou a verificação de reparações. Uma válvula hidráulica também pode ter de ser testada acima da sua configuração normal, a fim de verificar o desempenho em termos de alívio, abertura ou controlo de pressão.
Todo o circuito de alta pressão deve estar dimensionado para as condições de ensaio previstas. Isto inclui bombas, válvulas, coletores, mangueiras, conexões, sensores, adaptadores e dispositivos de ensaio, e não apenas a unidade hidráulica principal.
É igualmente importante considerar se todos os ensaios são realizados dentro da mesma gama de pressão. Um banco de ensaio pode necessitar de alta pressão para ensaios de resistência, mas de uma pressão muito mais baixa para ensaios de ciclos funcionais ou de estanquidade. Nesta situação, a utilização de uma gama de pressão muito ampla para todos os ensaios pode reduzir a controlabilidade e a utilidade das medições.
Um projeto mais adequado poderá recorrer a fases de pressão separadas, vários sensores de pressão ou circuitos de bomba distintos, de modo a que tanto os ensaios de baixa pressão como os de alta pressão possam ser realizados de forma eficaz.
Como determinar o caudal necessário
Os requisitos de fluxo dependem do que tem de acontecer durante o teste.
Nos ensaios a cilindros hidráulicos, o caudal determina principalmente a velocidade de movimento. Um cilindro maior ou uma velocidade de extensão mais elevada requerem mais óleo, enquanto um ensaio de manutenção de pressão estática pode exigir um caudal muito reduzido após a pressão alvo ter sido atingida.
A relação básica é a seguinte:
Caudal = Área efetiva × Velocidade
Isto significa que o caudal necessário do cilindro deve ser calculado com base na maior área efetiva e na velocidade de ensaio necessária, em vez de ser selecionado a partir de um valor geral de catálogo.
Os ensaios de bombas, válvulas e motores implicam diferentes requisitos de caudal. Uma bancada de ensaio para bombas pode ter de suportar o caudal máximo da bomba, enquanto uma bancada de ensaio para válvulas pode necessitar de caudal suficiente para avaliar a queda de pressão ou o desempenho do controlo de caudal em condições nominais. Uma bancada de ensaio para motores hidráulicos necessita de caudal suficiente para atingir a velocidade exigida enquanto o motor funciona sob carga.
O que importa é que O caudal máximo do sistema e o caudal de medição nem sempre correspondem ao mesmo requisito. Uma bancada de ensaio pode necessitar de um circuito principal de alto caudal, ao mesmo tempo que requer uma gama de medição muito mais reduzida para ensaios de fugas ou de baixo caudal.
Como a pressão e o caudal determinam a potência hidráulica
Assim que se conhecerem a pressão e o caudal necessários, é possível estimar a potência hidráulica aproximada.
Para a pressão em bar e o caudal em L/min:
Potência hidráulica (kW) = Pressão (bar) × Caudal (L/min) ÷ 600
Se uma condição de ensaio exigir 250 bar a 60 L/min, o caudal hidráulico teórico é:
250 × 60 ÷ 600 = 25 kW
O motor elétrico propriamente dito necessita normalmente de mais potência de entrada, uma vez que a bomba, o motor, o acoplamento e o circuito hidráulico apresentam todos perdas de eficiência.
No entanto, a questão mais importante em termos de conceção é se a pressão máxima e o caudal máximo têm de ocorrer simultaneamente.
Considere um banco de ensaios que necessita de 400 bar para um ensaio de pressão de prova com baixo caudal, mas apenas 300 L/min durante o ciclo do cilindro a pressão mais baixa. Projetar o sistema para produzir 400 bar e 300 L/min simultaneamente implicaria uma potência hidráulica necessária de 200 kW, mesmo que o procedimento de ensaio real possa nunca exigir esse ponto de funcionamento.
É por isso que as bancadas de ensaio são frequentemente concebidas tendo em conta várias zonas de funcionamento, em vez de uma única combinação máxima de pressão e caudal. Bombas separadas de alta pressão e de alto caudal, sistemas de bombas multiestágios ou bombas de cilindrada variável podem reduzir a potência instalada, sem deixar de cobrir o intervalo de ensaio necessário.
A unidade de potência deve, por conseguinte, basear-se no combinações reais de pressão e caudal utilizadas durante os ensaios, e não apenas em dois valores máximos independentes.
Como especificar a precisão e o intervalo de medição
A uma bancada de ensaio hidráulica não deve ser atribuído um único valor de precisão geral para toda a máquina. A pressão, o caudal, a temperatura, as fugas, a força, o binário, a velocidade e a posição podem, todos, ter requisitos de medição diferentes.
A precisão necessária deve ser determinada pelos critérios de aceitação do ensaio. Se um componente for aprovado ou reprovado com base numa diferença muito pequena de pressão ou fuga, o sistema de medição deve ser capaz de distinguir essa diferença de forma fiável. No caso de ensaios funcionais gerais, a precisão necessária pode ser menos exigente.
A gama de medição é igualmente importante. Um sensor de pressão de 600 bar pode ser adequado para um ensaio de alta pressão, mas pode não ser o melhor instrumento para avaliar com precisão uma gama de funcionamento muito inferior, dependendo das especificações do sensor e da incerteza exigida.
Esta mesma questão torna-se ainda mais evidente nos ensaios de fugas. Um medidor de caudal principal pode estar dimensionado para centenas de litros por minuto, enquanto a fuga a ser avaliada pode ser de apenas alguns litros por minuto ou menos. A utilização de intervalos de caudal distintos ou de um circuito dedicado à medição de fugas pode fornecer dados muito mais úteis.
Uma especificação prática deve, por conseguinte, definir o que deve ser medido, o intervalo esperado e o desempenho de medição exigido para cada parâmetro importante.
Como definir as funções de automatização necessárias
A automatização deve ser especificada por função, e não apenas afirmando que a bancada de ensaio deve dispor de controlo por PLC.
Um pedido do tipo “precisamos de uma bancada de ensaio controlada por PLC” não explica quais as partes do processo de ensaio que devem, de facto, ser automatizadas. A máquina pode ainda exigir a colocação manual de componentes, o ajuste de dispositivos de fixação, a ligação de mangueiras ou a inspeção visual.
Uma especificação mais útil descreve a sequência necessária. Por exemplo, o sistema pode ter de aumentar automaticamente a pressão até um valor-alvo, manter essa pressão durante 60 segundos, submeter o componente a um número definido de ciclos, monitorizar fugas, registar os dados do teste, emitir um alarme caso os limites sejam excedidos e apresentar um resultado de aprovação/reprovação.
Isto proporciona ao fabricante da bancada de ensaio uma compreensão muito mais clara da arquitetura de controlo necessária.
As funções de automatização podem incluir aumento gradual da pressão, manutenção da pressão durante um período de tempo definido, ciclos automáticos, comutação de válvulas, sequenciamento de etapas de teste, monitorização de fugas, registo de dados, gestão de alarmes, lógica de aprovação/reprovação e exportação de relatórios. Nem todas estas funções têm de estar incluídas em todas as máquinas; devem ser selecionadas de acordo com o fluxo de trabalho real dos testes.
A questão fundamental é:
Que etapas do teste devem ser automatizadas para melhorar a repetibilidade, a produtividade, a segurança ou a rastreabilidade?
Como o ciclo de funcionamento afeta a conceção da unidade de potência e do sistema de arrefecimento
A pressão e o caudal definem os requisitos hidráulicos instantâneos, mas o ciclo de funcionamento determina durante quanto tempo a bancada de ensaio deve funcionar nessas condições.
Uma máquina utilizada para a verificação ocasional de reparações pode funcionar apenas durante curtos períodos. Uma bancada de ensaio de produção pode funcionar repetidamente ao longo do dia de trabalho, e um sistema de I&D ou de resistência pode funcionar durante ciclos de ensaio muito mais longos.
Esta diferença tem uma influência significativa no tamanho do reservatório, na temperatura do óleo, na capacidade de arrefecimento, na filtração, no regime de funcionamento do motor e na seleção da bomba. A ineficiência hidráulica, o estrangulamento, o funcionamento da válvula de alívio e a perda de pressão convertem parte da energia de entrada em calor; por isso, um sistema de alta potência a funcionar continuamente pode necessitar de um sistema de arrefecimento muito mais substancial do que o mesmo sistema utilizado de forma intermitente.
O ciclo de funcionamento deve, por isso, ser considerado em conjunto com a pressão, o caudal e a potência, em vez de ser adicionado como um elemento secundário.
Elaboração das especificações
A forma mais eficaz de definir uma bancada de ensaio hidráulica consiste em partir do procedimento de ensaio e avançar para as especificações da máquina.
| Passo | Pergunta principal |
|---|---|
| Procedimento de ensaio | O que é que o componente deve realmente fazer durante o teste? |
| Pressão | Qual é a pressão de ensaio máxima exigida? |
| Fluxo | Qual é o caudal necessário em cada fase de funcionamento? |
| Potência | Que condições de pressão e caudal ocorrem simultaneamente? |
| Medição | Que parâmetros, intervalos e precisão são necessários? |
| Automação | Que etapas devem ser controladas ou registadas automaticamente? |
| Ciclo de trabalho | Durante quanto tempo e com que frequência irá funcionar a bancada? |
Esta sequência ajuda a evitar o sobredimensionamento, ao mesmo tempo que reduz o risco de não se ter em conta uma funcionalidade essencial.
Em vez de solicitar uma bancada de ensaio limitando-se a indicar “400 bar, 300 L/min, controlada por PLC”, uma especificação mais completa poderia descrever as fases de ensaio necessárias, as combinações de pressão e caudal de funcionamento, os requisitos de medição, a sequência automatizada e a carga de trabalho diária prevista.
Essas informações proporcionam uma base muito mais sólida para a conceção de circuitos hidráulicos, o dimensionamento de motores, a seleção de sensores, a arquitetura de controlo e a elaboração de orçamentos.
Conclusão
A seleção da pressão, do caudal, da potência, da precisão e da automatização para um banco de ensaios hidráulico exige que estas especificações sejam consideradas como um sistema integrado.
Pressão define as condições do ensaio hidráulico, enquanto fluxo determina a velocidade do atuador ou o ponto de funcionamento de bombas, válvulas e motores. Em conjunto, determinam a potência hidráulica necessária em cada fase do ensaio. O intervalo de medição e a precisão determinam se os dados resultantes são úteis, enquanto a automatização define com que consistência e eficiência o procedimento pode ser repetido.
O ciclo de trabalho determina, então, se a unidade de potência, o reservatório, o sistema de arrefecimento e o sistema de filtragem são adequados para a carga de trabalho real.
A melhor bancada de ensaio hidráulico não é, portanto, a máquina com as especificações mais elevadas. É aquela cuja a pressão, o caudal, a potência, a capacidade de medição, as funções de automatização e o ciclo de funcionamento são adaptados ao procedimento de ensaio real.
Num projeto de banco de ensaio personalizado, definir primeiro a sequência de ensaios é, normalmente, a forma mais eficaz de chegar à especificação técnica correta.
