O Essencial da Engenharia: Motores hidráulicos

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Fig. 1. Os motores de engrenagens externas têm uma engrenagem de acionamento e uma engrenagem intermediária fechada em uma única carcaça. O torque de saída é uma função da pressão em um dente porque a pressão em outros dentes está em equilíbrio hidráulico.

Todos os tipos de motores hidráulicos têm estas características comuns de projeto: uma área da superfície de acionamento sujeita ao diferencial de pressão; uma forma de cronometrar a entrada do fluido de pressão na superfície de pressão para obter rotação contínua; e uma conexão mecânica entre a área da superfície e um eixo de saída.

A capacidade das superfícies de pressão de suportar a força, as características de fuga de cada tipo de motor, e a eficiência do método utilizado para ligar a superfície de pressão e o veio de saída determinam o desempenho máximo de um motor em termos de pressão, caudal, binário de saída, velocidade, eficiências volumétricas e mecânicas, vida útil e configuração física.

Deslocamento do motor refere-se ao volume de fluido necessário para rodar o veio de saída do motor através de uma rotação. As unidades mais comuns de deslocamento do motor são em.3 ou cm3 por rotação.

O deslocamento dos motores hidráulicos pode ser fixo ou variável. Um motor de deslocamento fixo fornece torque constante. A velocidade é variada através do controle da quantidade de fluxo de entrada no motor. Um motor de deslocamento variável fornece torque variável e velocidade variável. Com fluxo de entrada e pressão constantes, a taxa de velocidade de torque pode ser variada para atender aos requisitos de carga variando o deslocamento.

A saída de torque é expressa em polegadas libras ou pés libras, e é uma função da pressão do sistema e do deslocamento do motor. Os valores nominais de torque do motor geralmente são dados para uma queda de pressão específica através do motor. Os valores teóricos indicam o torque disponível no eixo do motor assumindo que não há perdas mecânicas.

Breakaway torque é o torque necessário para obter um giro de carga estacionária. É necessário mais torque para iniciar uma carga em movimento do que para mantê-la em movimento.

Binário de funcionamento pode referir-se à carga de um motor ou ao motor. Quando se refere a uma carga, indica o torque necessário para manter a carga girando. Quando se refere ao motor, o torque de funcionamento indica o torque real que um motor pode desenvolver para manter a carga girando. O torque de funcionamento considera a ineficiência de um motor e é uma percentagem do seu torque teórico. O torque de funcionamento de motores de engrenagens, palhetas e pistão comuns é aproximadamente 90% do torque teórico.

Binário de arranque refere-se à capacidade de um motor hidráulico para iniciar uma carga. Indica a quantidade de torque que um motor pode desenvolver para iniciar um giro de carga. Em alguns casos, isto é consideravelmente menor do que o torque de funcionamento do motor. O torque de partida também pode ser expresso como uma porcentagem do torque teórico. O torque de partida para motores de engrenagens, palhetas e pistões comuns varia entre 70% e 80% do torque teórico.

Eficiência mecânica é a relação entre o torque real fornecido e o torque teórico.

Ondulação de torque é a diferença entre o torque mínimo e máximo fornecido a uma determinada pressão durante uma rotação do motor.

Velocidade do motor é uma função do deslocamento do motor e do volume de fluido fornecido ao motor.

Velocidade máxima do motor é a velocidade a uma pressão de entrada específica que o motor pode suportar por um tempo limitado sem danos.

Velocidade mínima do motor é a velocidade de rotação mais lenta, contínua e ininterrupta disponível a partir do eixo de saída do motor.

Deslizamento é a fuga através do motor – ou fluido que passa através do motor sem executar trabalho.

Motores de parafuso

Motores de engrenagem externa, Figura 1, consistem em um par de engrenagens combinadas, encerradas em uma carcaça. Ambas as engrenagens têm a mesma forma dentária e são accionadas por fluido de pressão. Uma engrenagem é conectada a um eixo de saída; a outra é uma engrenagem intermediária. O fluido de pressão entra na carcaça em um ponto em que as engrenagens se conectam. Ele força as engrenagens a girar, e segue o caminho de menor resistência ao redor da periferia da carcaça. O fluido sai a baixa pressão no lado oposto do motor.

Fechar tolerâncias entre as engrenagens e a carcaça ajudam a controlar o vazamento do fluido e a aumentar a eficiência volumétrica. As placas de desgaste nas laterais das engrenagens impedem o movimento axial das engrenagens e ajudam a controlar o vazamento.

Os motores de engrenagens internas se encaixam em duas categorias. Um motor de acionamento direto consiste de um conjunto de engrenagens internas e um eixo de saída, Figura 2. A engrenagem interna tem um dente a menos do que a externa. A forma dos dentes é tal que todos os dentes da engrenagem interna estão sempre em contato com alguma porção da engrenagem externa. Quando o fluido de pressão é introduzido no motor, ambas as engrenagens giram. A carcaça do motor tem portas de entrada e saída em forma de rim integral. Os centros de rotação das duas engrenagens são separados por uma determinada quantidade conhecida como excentricidade. O centro da engrenagem interna coincide com o centro do eixo de saída.

Fig. 2. O motor gerotor de acionamento direto possui conjuntos de engrenagens internas e externas. Ambas as engrenagens giram durante a operação.

Na Figura 2(a), o fluido de pressão entra no motor através da porta de entrada. Como a engrenagem interna tem menos um dente que a externa, uma bolsa é formada entre os dentes internos 6 e 1, e outro encaixe A. A porta de entrada em forma de rim é projetada de forma que, assim que o volume desta bolsa atinge seu máximo, o fluxo de fluido é desligado, com as pontas dos dentes internos 6 e 1 fornecendo uma vedação, Figura 2(b).

Como o par de engrenagens internas e externas continua a girar, Figura 2(c), uma nova bolsa é formada entre os dentes internos 6 e 5, e o encaixe externo G. Enquanto isso, a bolsa formada entre os dentes internos 6 e 1 e o encaixe externo A se moveu em torno da porta de saída em forma de rim, drenando constantemente à medida que o volume da bolsa diminui. A mudança de volume gradual e medida das bolsas durante a entrada e o escape proporciona um fluxo de fluido suave e uniforme com uma variação mínima de pressão (ou ondulação).

Por causa do dente extra na engrenagem externa, os dentes da engrenagem interna se movem à frente do externo por um dente por revolução. Na Figura 2(c), o dente interno 4 é assentado no soquete externo E. No próximo ciclo, o dente interno 4 assentará no soquete externo F. Isto produz uma baixa velocidade diferencial relativa entre as engrenagens.

Um motor gerador em órbita, Figura 3, consiste de um conjunto de engrenagens combinadas, um acoplamento, um eixo de saída e um comutador ou placa de válvula. A engrenagem externa estacionária tem um dente a mais do que a engrenagem interna rotativa. O comutador gira na mesma velocidade que a engrenagem interna e sempre fornece fluido de pressão e uma passagem para o tanque para os espaços apropriados entre as duas engrenagens.

Em operação, Figura 3(a), o dente 1 da engrenagem interna está alinhado exatamente no soquete D da engrenagem externa. O ponto y é o centro da engrenagem fixa, e o ponto x é o centro do rotor. Se não houvesse fluido, o rotor estaria livre para girar em torno do soquete D em qualquer direção. Ele poderia mover-se em direção ao dente de assentamento 2 no soquete E ou, inversamente, em direção ao dente de assentamento 6 no soquete J.

Fig. 3. O motor gerotor em órbita tem uma engrenagem externa estacionária e uma engrenagem interna rotativa. O rotor e o eixo giram no sentido anti-horário, mas o locus do ponto X é no sentido horário. Comutador ou placa de válvula, mostrada abaixo ilustração de cada estágio de rotação do motor, fornece pressão e passagem do tanque para o fluido de pressão.

Quando o fluido de pressão flui para a metade inferior do volume entre as engrenagens interna e externa, se for fornecida uma passagem para o tanque para a metade superior do volume entre as engrenagens interna e externa, é induzido um momento que gira a engrenagem interna no sentido anti-horário e começa a assentar o dente 2 no soquete E. O dente 4, no instante mostrado na Figura 3(a), fornece uma vedação entre a pressão e o fluido de retorno.

No entanto, conforme a rotação continua, o locus do ponto x é no sentido horário. Como cada dente seguinte do rotor assenta em seu soquete, Figura 3(b), o dente diretamente oposto no rotor do dente sentado torna-se a vedação entre a pressão e o fluido de retorno. O fluido pressurizado continua a forçar o rotor a fazer malha no sentido horário enquanto ele gira no sentido anti-horário.

Por causa de um encaixe extra na engrenagem fixa, da próxima vez que o dente 1 assentar, ele estará no encaixe J. Nesse ponto, o eixo girou 1/7 de uma revolução, e o ponto x se moveu 6/7 de seu círculo completo. Na Figura 3(c), o dente 2 encaixou com o encaixe D, e o ponto x ficou novamente alinhado entre o encaixe D e o ponto y, indicando que o rotor fez uma revolução completa dentro da engrenagem externa. O dente 1 moveu-se através de um ângulo de 60° a partir de seu ponto original na Figura 3(a); seriam necessários 42 (ou 6 X 7) engates do dente ou ciclos de fluido para que o eixo complete uma rotação.

O comutador ou placa da válvula, mostrado nas Figuras 3(d), (e), e (f), contém passagens de pressão e tanque para cada dente do rotor. As passagens são espaçadas de modo a não proporcionarem pressão ou fluxo de retorno para a porta apropriada como uma sede de dente em seu soquete. Em todos os outros momentos, as passagens são bloqueadas ou estão fornecendo fluido de pressão ou uma passagem de tanque na metade apropriada do motor entre engrenagens.

Um motor gerotor de palhetas de roletes, Figura 4, é uma variação do motor gerotor em órbita. Possui uma engrenagem de anel estacionário (ou estator) e uma engrenagem planetária (ou rotor) em movimento. Ao invés de ser segurado por dois mancais de agulhas, o braço excêntrico do planetário é segurado pela malha do rotor de 6 dentes e do estator de 7 soquetes. Ao invés do contato direto entre o estator e o rotor, palhetas de rolos são incorporadas para formar as câmaras de deslocamento. As palhetas de roletes reduzem o desgaste, permitindo que os motores sejam utilizados em circuitos hidrostáticos de ciclo fechado de alta pressão como acionamentos diretos de rodas.

Motores de palhetas

Fig. 5. Motores de palhetas (tipo balanceado mostrado) têm palhetas em um rotor ranhurado.

Motores de palhetas, Figura 5, têm um rotor ranhurado montado em um eixo de acionamento que é acionado pelo rotor. As palhetas, bem encaixadas nas ranhuras do rotor, movem-se radialmente para vedar contra o anel de cames. O anel tem duas seções radiais maiores e duas menores unidas por seções transitórias ou rampas. Estes contornos e as pressões a eles introduzidas são equilibrados diametralmente.

Em alguns modelos, molas leves forçam as palhetas radialmente contra o contorno do came para assegurar uma vedação a velocidade zero para que o motor possa desenvolver torque de partida. As molas são assistidas por uma força centrífuga a velocidades mais elevadas. Ranhuras radiais e furos através das palhetas igualam sempre as forças hidráulicas radiais nas palhetas.

Fluido de pressão entra e sai da carcaça do motor através de aberturas nas placas laterais nas rampas. A entrada do fluido de pressão nos orifícios de entrada move o rotor no sentido anti-horário. O rotor transporta o fluido para as aberturas da rampa nos orifícios de saída para retornar ao tanque. Se a pressão fosse introduzida nos orifícios de saída, ele giraria o motor no sentido horário.

O rotor é separado axialmente das superfícies das placas laterais pela película do fluido. A placa lateral frontal é apertada contra o anel de cames por pressão, e mantém uma folga óptima como dimensões de mudança de temperatura e pressão.

Os motores de palhetas proporcionam boas eficiências de funcionamento, mas não tão elevadas como as dos motores de pistão. Contudo, os motores de palhetas geralmente custam menos que os motores de pistão de potência correspondente.

A vida útil de um motor de palhetas geralmente é menor que a de um motor de pistão. Os motores de palhetas estão disponíveis com deslocamentos de 20 pol.3/rot; alguns modelos de baixa velocidade/alto torque vêm com deslocamentos para 756 pol.3/rot. Com exceção dos modelos de alto deslocamento, baixa velocidade, os motores de palhetas têm capacidade limitada de baixa velocidade.

Motores de pistão

Fig. 6. Motor de pistão radial típico.

Motores de pistão radial, Figura 6, têm um cilindro acoplado a um eixo acionado; o cilindro contém um número de pistões que retorna em furos radiais. As extremidades externas do pistão suportam contra um anel de empuxo. O fluido de pressão flui através de um pintle no centro do barril do cilindro para acionar os pistões para fora. Os pistões empurram contra o anel de empuxo e as forças de reação giram o cilindro.

Deslocamento do motor é variado através do deslocamento lateral do bloco de deslizamento para mudar o curso do pistão. Quando as linhas centrais do tambor e da carcaça coincidem, não há fluxo de fluido e, portanto, o tambor do cilindro pára. O deslocamento do centro da corrediça inverte a direção de rotação do motor.

Motores de pistão radial são muito eficientes. Embora o alto grau de precisão exigido na fabricação de motores de pistão radial aumente os custos iniciais, eles geralmente têm uma longa vida útil. Eles fornecem um torque elevado a velocidades de eixo relativamente baixas e um excelente funcionamento a baixa velocidade com alta eficiência; eles têm capacidades limitadas de alta velocidade. Os motores de pistão radial têm deslocamentos até 1.000 in.3/rev.

Motores de pistão axial também utilizam o princípio de movimento de pistão alternativo para girar o eixo de saída, mas o movimento é axial, em vez de radial. As suas características de eficiência são semelhantes às dos motores de pistão radial. Inicialmente, os motores de pistão axial custam mais do que os motores de palhetas ou redutores de potência comparável e, como os motores de pistão radial, têm uma longa vida operacional. Devido a isso, seu custo inicial mais alto pode não refletir verdadeiramente os custos totais esperados durante a vida útil de um equipamento.

Fig. 7. Desenho em corte do motor hidráulico de pistão axial em linha.

Em geral, os motores de pistão axial têm excelentes capacidades de alta velocidade, mas, ao contrário dos motores de pistão radial, são limitados a baixas velocidades de operação: o tipo em linha funcionará suavemente até 100 rpm e o tipo de eixo curvo dará uma saída suave até a faixa de 4 rpm. Motores de pistão axial estão disponíveis com deslocamentos de uma fração a 65 pol.3/rev.

Motores de pistão de linha, Figura 7, geram torque através da pressão exercida nas extremidades dos pistões que retorcem em um bloco de cilindros. No projeto em linha, o eixo de acionamento do motor e o bloco de cilindros são centralizados no mesmo eixo. A pressão nas extremidades dos pistões provoca uma reação contra uma placa basculante inclinada e gira o bloco de cilindros e o eixo do motor. O torque é proporcional à área dos pistões e é uma função do ângulo em que a placa giratória é posicionada.

Estes motores são construídos em modelos de deslocamento fixo e variável. O ângulo da placa giratória determina o deslocamento do motor. No modelo variável, a placa giratória é montada num braço oscilante, e o ângulo pode ser alterado por vários meios – desde uma simples alavanca ou roda de mão até aos sofisticados servocomandos. O aumento do ângulo da chapa aumenta a capacidade de torque, mas reduz a velocidade do eixo de acionamento. Ao contrário, a redução do ângulo reduz a capacidade de torque mas aumenta as velocidades do eixo de acionamento (a menos que a pressão do fluido diminua). Os ângulos de paragem estão incluídos para que o binário e a velocidade se mantenham dentro dos limites de funcionamento.

Um compensador varia o deslocamento do motor em resposta a alterações na carga de trabalho. Um pistão com mola é ligado ao jugo e move-o em resposta a variações na pressão de funcionamento. Qualquer aumento de carga é acompanhado de um aumento de pressão correspondente, como resultado dos requisitos adicionais de torque. O controle então ajusta automaticamente a torre de modo que o torque aumente quando a carga é leve. Idealmente, o compensador regula o deslocamento para o máximo desempenho em todas as condições de carga até o ajuste da válvula de alívio.

Fig. 8. Vista transversal do motor de pistão do eixo curvo.

Motores de pistão do eixo curvo, Figura 8, desenvolvem torque através de uma reação à pressão nos pistões alternativos. Neste projeto, o bloco do cilindro e o eixo de acionamento são montados em um ângulo um ao outro; a reação é contra o flange do eixo de acionamento.

Velocidade e alteração de torque com alterações no ângulo – de uma velocidade mínima pré-determinada com deslocamento máximo e torque em um ângulo de aproximadamente 30° a uma velocidade máxima com deslocamento mínimo e torque em cerca de 7-1/2°. Ambos os modelos de deslocamento fixo e variável estão disponíveis.

Motores de pilar rotativo

Motores de pilar rotativo, Figura 9, têm pilar A, que gira para passar a palheta rotativa B, enquanto que o segundo pilar C, está em acoplamento de vedação alternado com o cubo do rotor. O torque é transmitido diretamente do fluido para o rotor e do rotor para o eixo. As engrenagens temporizadas entre o eixo de saída e os pilares rotativos mantêm a palheta e os pilares do rotor na fase adequada. Um rolo numa ranhura em cauda de pomba na ponta da palheta do rotor proporciona uma vedação positiva que é essencialmente sem atrito e relativamente insensível ao desgaste. As forças de vedação são elevadas e as perdas por atrito são baixas devido ao contacto de rolamento.

Um motor de parafuso é essencialmente uma bomba com a direcção do fluxo de fluido invertida. Um motor de parafuso usa três parafusos de malha – um rotor de potência e dois rotores de engrenagem, Figura 10. Os rotores da engrenagem intermediária atuam como selos que formam câmaras helicoidais isoladas consecutivas dentro de uma carcaça de rotor bem fechada. A pressão diferencial atuando sobre as áreas de rosca do conjunto de parafusos desenvolve o torque do motor.

Os rotores da polia flutuam em seus furos. A velocidade de rotação do conjunto de parafusos e a viscosidade do fluido gera uma película hidrodinâmica que suporta os rotores da polia, muito parecida com um eixo em um mancal de eixo para permitir uma operação de alta velocidade. O conjunto de parafusos de rolamento proporciona uma operação silenciosa e sem vibrações.

Selecionando um motor hidráulico

Fig. 9. Pilar A do motor do pilar rotativo gira para além da palheta rotativa B, enquanto que o segundo pilar C, contacta a placa de vedação para separar as áreas de alta e baixa pressão. Os pinos de vedação nas pontas das palhetas e na periferia do rotor proporcionam uma vedação quase sem atrito. O rotor girará no sentido horário com o fluido de pressão aplicado na porta 1.

A aplicação do motor hidráulico geralmente dita a potência necessária e a faixa de velocidade do motor, embora a velocidade e o torque reais necessários possam às vezes ser variados, mantendo a potência necessária. O tipo de motor selecionado depende da confiabilidade, vida útil e desempenho necessários.

Embora o tipo de fluido seja determinado, a seleção do tamanho real é baseada na vida útil esperada e na economia da instalação geral na máquina.

Um motor de fluido operando com capacidade inferior à nominal fornecerá uma extensão de vida útil mais do que proporcional à redução na operação abaixo da capacidade nominal.

A potência máxima produzida por um motor é atingida ao operar com a pressão máxima do sistema e com a velocidade máxima do eixo. Se o motor for sempre operado sob estas condições, o seu custo inicial será o mais baixo. No entanto, onde a velocidade de saída deve ser reduzida, o custo total do motor com redução de velocidade deve ser considerado – para optimizar os custos totais de instalação do accionamento.

Dimensionamento de motores hidráulicos

Como exemplo de como calcular o tamanho do motor hidráulico para corresponder a uma aplicação, considere o seguinte: uma aplicação exige 5 hp a 3.000 rpm, com uma pressão de alimentação disponível de 3.000 psi, e uma pressão de linha de retorno de 100 psi; o diferencial de pressão é de 2.900 psi.

O torque teórico necessário é calculado a partir de:

T = (63,0252 3 cavalos)/N

where:
T é torque, lb-in, e
N é velocidade, rpm.
Para a condição T = 105 lb-in.

Deslocamento motor é calculado como:

D = 2π T ÷ ΔPeM

where:
D é deslocamento, em.3/rev
ΔP é diferencial de pressão, psi, e
eM é eficiência mecânica, %.
Se a eficiência mecânica é 88%, então D é 0,258 em.3/rev.

Cálculo do fluxo requerido:

Q = DN/231eV,

where: Q é fluxo, gpm, e
eV é eficiência volumétrica, %.
Se a eficiência volumétrica for 93%, então Q é 3,6 gpm.

Pressão nestas equações é a diferença entre a pressão de entrada e a pressão de saída. Assim, qualquer pressão na porta de saída reduz a saída de torque de um motor fluido.

O fator de eficiência para a maioria dos motores será bastante constante quando operando de meia pressão para pressão total, e sobre a parte média da faixa de velocidade nominal. À medida que a velocidade se aproxima dos extremos, a eficiência diminui.

Pressões de operação mais baixas resultam em menores eficiências gerais devido a perdas fixas de rotação interna que são características de qualquer motor de fluido. A redução do deslocamento do máximo em motores de deslocamento variável também reduz a eficiência geral.

Funcionamento do motor hidráulico

A maioria dos problemas do motor se enquadra nestas categorias:

Fluído de motor – O motor não é diferente de nenhum dos outros componentes do sistema hidráulico – ele deve ter fluido limpo, em suprimento adequado, e da qualidade e viscosidade adequadas.

Manutenção pobre – Um programa de manutenção deficiente corre um segundo próximo na causa de grandes problemas. Os deslizes típicos num programa incluem:

• failure para verificar e reparar linhas e ligações para parar fugas; ligações defeituosas podem permitir a entrada de sujidade e ar no sistema, baixar a pressão e causar operação errática.
• failure para instalar o motor correctamente. O desalinhamento do eixo do motor pode causar desgaste dos rolamentos, o que pode levar à perda de eficiência. Um eixo desalinhado também pode reduzir o torque, aumentar a resistência ao atrito e o aquecimento e resultar em falha do eixo.
• failure para encontrar a causa de um mau funcionamento do motor. Se um motor falhar, procure sempre a causa da falha. Obviamente, se a causa não for corrigida, a falha será recorrente.

Operação do motor – Exceder os limites de operação de um motor promove a falha do motor. Todo motor tem limitações de projeto sobre pressão, velocidade, torque, deslocamento, carga e temperatura. A pressão excessiva pode gerar calor devido ao deslizamento do motor, e pode fazer com que o motor exceda os limites de torque. A velocidade excessiva pode causar aquecimento e pode causar desgaste dos rolamentos e outras peças internas.

Binário excessivo pode causar fadiga e tensão nos rolamentos e no eixo do motor, especialmente em aplicações que requerem inversão frequente do motor. A carga excessiva pode criar fadiga nos rolamentos e no eixo. E finalmente, a temperatura excessiva pode causar perda de eficiência porque o óleo torna-se mais fino, e pode produzir desgaste rápido por falta de lubrificação.

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