Ficha 01 · Princípios, bombas, actuadores

a) Força no pistão pequeno (após alavanca 5×): F1 = 200 × 5 = 1000 N.

b) Pressão: - Área pequeno: A1 = π × 0,012² / 4 = 1,131 × 10⁻⁴ m² = 1,131 cm². - Pressão: p = F1 / A1 = 1000 / 1,131 × 10⁻⁴ = 8 845 000 Pa ≈ 88,5 bar.

c) Força no pistão grande: - Área grande: A2 = π × 0,080² / 4 = 5,027 × 10⁻³ m² = 50,27 cm². - Força: F2 = p × A2 = 8 845 000 × 5,027 × 10⁻³ = 44 460 N ≈ 4530 kgf ≈ 4,5 t.

Multiplicação de força: 4530 / 100 (200N original / 2g aprox) ≈ 220×. Considerando a alavanca: 4530 / 20 (carga humana 200N) = ~22× só pela hidráulica.

Mais directamente: A2/A1 = (80/12)² ≈ 44,4×. Esta é a multiplicação hidráulica pura.

d) Distância (conservação volume de óleo): - Volume deslocado pelo pequeno: V = A1 × d1 = 1,131 × 100 = 113 cm³. - Distância do grande: d2 = V / A2 = 113 / 50,27 = 2,25 mm.

Conservação de energia: a multiplicação de força é "paga" pela redução proporcional de distância. Trabalho input = trabalho output (excepto perdas).

a) Potência hidráulica:

P_hid = (p × Q) / 600 = (150 × 25) / 600 = 6,25 kW

b) Potência mecânica (input da bomba):

P_mec = P_hid / η_bomba = 6,25 / 0,85 = 7,35 kW

c) Potência eléctrica:

P_eléc = P_mec / η_motor = 7,35 / 0,90 = 8,17 kW

d) Motor standard: escolher imediatamente acima → motor 11 kW (próximo standard IEC). Margem de ~35% para arranque + sobrecargas momentâneas. Alternativa: motor 9 kW (não-standard) ou 7,5 kW (apertado, pode disparar relé térmico em pico).

Recomendação: 11 kW 4 pólos (1440 rpm) IE3.

a) Prensa 50 t: bomba de engrenagens (caudal fixo) + válvula limitadora dimensionada. Pressão necessária (cilindro Ø150 a 250 bar): adequada para engrenagens. Caudal modesto (ciclos lentos) — engrenagens são suficientes e baratas.

b) Máquina-ferramenta de precisão: bomba de palhetas (silenciosa) ou pistões axiais variável. Precisão e silêncio são prioridades. Palhetas para pressões médias (até 175 bar); pistões axiais para precisão máxima e variação de caudal conforme demanda.

c) Escavadora 30 t: bomba de pistões axiais variável (load-sensing). Sistema móvel exige eficiência (combustível diesel é caro); carga muito variável (escavar vs translação) requer caudal variável. Standard em escavadoras modernas.

d) Macaco oficina: bomba manual de pistão simples (não eléctrica) — operador acciona alavanca. Para versão eléctrica simples: bomba de engrenagens.

e) Cargas muito variáveis: bomba de pistões axiais variável (load-sensing) — única que adapta caudal à demanda, evitando desperdício. Em alternativa: bomba fixa + acumulador (bomba carrega acumulador quando há tempo, sistema consome em pico).

a) Cavitação — pressão à aspiração da bomba cai abaixo da pressão de vapor do óleo → bolhas de vapor formam-se → implodem violentamente do lado de alta pressão → ruído + dano.

b) Causas específicas: 1. Filtro de aspiração entupido — restringe caudal de entrada. 2. Óleo muito frio (alta viscosidade) — não flui facilmente. 3. Nível de óleo baixo — bomba aspira ar misturado com óleo. 4. Tubo de aspiração demasiado longo, estreito ou com curvas apertadas — perda de carga excessiva.

Outras causas: - Vedação da aspiração com fuga (entra ar). - Tanque sem respiradouro (cria vácuo dentro). - Viscosidade do óleo errada (muito alta). - Velocidade da bomba acima do recomendado (raro).

c) Acções: 1. Verificar nível do óleo no visor. Reabastecer se baixo. 2. Inspeccionar filtro de aspiração. Substituir se saturado. 3. Verificar temperatura do óleo. Se < 10 °C (sistema frio), pré-aquecer (executar sem carga por 10-15 min com bomba a vácuo, ou usar pré-aquecedor). 4. Verificar vedação da tubagem de aspiração (apertar conexões; verificar O-rings). 5. Verificar respiradouro do tanque (filtro de ar não entupido). 6. Inspeccionar visualmente tubo de aspiração — esmagamento, curvas apertadas, válvula fechada por engano. 7. Se persiste após estas verificações: chamar especialista — pode ser problema interno da bomba (gasta ou mal montada).

d) Dano: - Picado por cavitação: superficie interna da bomba fica com pequenas crateras causadas pelas implosões. Reduz eficiência permanentemente. - Desgaste acelerado das peças móveis (engrenagens, palhetas, pistões). - Falência total da bomba em horas se cavitação for severa. - Substituição da bomba pode custar 500-5000 € — muito mais que o filtro a 30 € que originou o problema.

Lição: cavitação é diagnóstico urgente. Parar bomba até resolver.

a) Diâmetro mínimo do pistão: - Força necessária: 5 t × 9,81 m/s² = 49 050 N (com margem 20% → 58 860 N). - Área necessária: A = F / p = 58 860 / (200 × 10⁵) = 2,943 × 10⁻³ m² = 29,43 cm². - Diâmetro: D = √(4A/π) = √(4 × 29,43 / π) = √37,46 = 6,12 cm ≈ 61 mm.

b) Diâmetro comercial standard:

Diâmetros comerciais típicos: 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200 mm.

Escolher Ø 63 mm (imediatamente acima de 61 mm).

Verificação: A = π × 0,063² / 4 = 3,12 × 10⁻³ m² = 31,2 cm². Força a 200 bar: F = 200 × 10⁵ × 3,12 × 10⁻³ = 62 400 N ≈ 6,4 t.

Margem: 6,4 / 5 = 28%. Adequado.

c) Volume por ciclo: - Avanço: V_a = A × curso = 31,2 × 15 = 468 cm³ = 0,468 L. - Haste Ø 0,4 × 63 = 25 mm (próximo do standard: 22, 25, 28 mm — escolher 25 mm). - Área haste: A_h = π × 0,025² / 4 = 4,91 × 10⁻⁴ m² = 4,91 cm². - Recuo: V_r = (31,2 − 4,91) × 15 = 394 cm³ = 0,394 L. - Volume por ciclo: 0,468 + 0,394 = 0,862 L ≈ 0,86 L/ciclo.

d) Caudal mínimo da bomba (ciclo 5 s = 12 ciclos/min): - Volume por minuto: 0,86 × 12 = 10,3 L/min.

Mas atenção: durante avanço, bomba deve fornecer 0,468 L em ~2,5 s (metade do ciclo). Caudal de pico: 0,468 L / 2,5 s = 0,187 L/s = 11,3 L/min.

Bomba deve fornecer pelo menos 12-15 L/min com margem.

e) Potência eléctrica: - P_hidráulica = p × Q / 600 = 200 × 12 / 600 = 4 kW (à pressão máxima e caudal pleno). - Rendimento global ~75% (bomba + motor): P_eléc = 4 / 0,75 = 5,33 kW. - Motor standard: 5,5 kW (IEC) ou 7,5 kW com margem maior.

Sistema típico: - Cilindro Ø 63 × 150 mm. - Bomba engrenagens 12 L/min @ 250 bar. - Motor 5,5 kW 1440 rpm IE3. - Válvula 4/3 com solenoide. - Tanque 30 L. - Filtros + manómetro + termómetro.

Custo estimado: 2000-3000 € (sistema completo).

a) Prensa injecção 180 t: Hidráulica. Força enorme (180 t = 1,8 milhões N). Pneumática impossível (caudal de ar gigante para tal cilindro a 6 bar). Eléctrica mecânica (servomotor + fuso) possível em prensas eléctricas modernas (Engel, Arburg), mas custa 2-3× mais. Hidráulica continua a ser standard.

b) Plataforma elevatória industrial: Hidráulica (na maioria). Carga elevada + necessidade de manter posição sob carga (óleo incompressível). Em plataformas pequenas: eléctrica (com cremalheira ou parafuso de potência) começa a competir.

c) Pequena máquina embalagem: Pneumática. Forças moderadas (cilindros Ø 30 a 6 bar → ~40 kgf). Velocidade alta. Ambiente potencialmente alimentar (limpeza). Hidráulica seria sobre-engenharia.

d) CNC precisão 0,01 mm: Eléctrica (servomotor + redutor + fuso). Precisão hidráulica máxima ~0,1 mm (servoválvulas caras chegam a 0,02 mm). Servomotor com encoder atinge 0,001 mm. Standard moderno em CNC.

e) Pressão em circuito de água quente: Eléctrica (bomba centrífuga + variador). Hidráulica/pneumática não fazem sentido para circular água. Sistema simples e barato.

a) Diferenças: - Servoválvula: válvula de alta precisão e resposta rápida. Controlo em malha fechada com sensor interno (LVDT). Resposta em 5-10 ms. Histerese < 1%. Caudal proporcional ao sinal eléctrico com grande linearidade. Construção muito precisa (folgas de microns). - Válvula proporcional: versão mais simples e barata. Sem realimentação interna. Resposta 30-100 ms. Histerese 3-10%. Caudal aproximadamente proporcional ao sinal.

b) Aplicações: - Servoválvula: máquinas de ensaio (cargas controladas), simuladores (cabines de avião), aeronáutica, posicionamento de precisão, controlo de força em prensas críticas. - Proporcional: máquinas-ferramenta médias, posicionamento normal, controlo de velocidade variável em prensas e injectoras.

c) Ordem de preço (relativa): - Válvula direccional standard: 1× (~200-500 €). - Válvula proporcional: 3-5× (~800-2500 €). - Servoválvula: 10-30× (~3000-15 000 €).

Por isso, escolhe-se servoválvula só quando a precisão e a rapidez são absolutamente necessárias.

d) Impacto na escolha do PLC: - Direccional standard: saída digital simples do PLC (ON/OFF). - Proporcional: saída analógica (0-10 V ou 4-20 mA) ou PWM, com módulo dedicado do PLC. - Servoválvula: PLC com módulo de saída analógica de alta resolução (12-16 bits) + tipicamente controlador dedicado de eixo (motion controller) que faz lazo fechado a alta velocidade. PLC standard frequentemente não é suficiente — precisa-se CNC ou drive especializado.

Sistemas com servoválvulas são mais caros e mais complexos de configurar/manter. Só se justificam para os 5-10% de aplicações que exigem precisão extrema.

a) Hipóteses por ordem de probabilidade:

1. Vedação interna do cilindro avariada — pistão "perde" óleo de um lado para o outro internamente. Pressão cai quando atinge zona com mais desgaste. Causa muito comum em cilindros antigos.

2. Válvula limitadora descalibrada ou avariada — abre prematuramente. Mas isto daria pressão baixa desde o início, não a meio do curso.

3. Válvula direccional 4/3 com fuga interna (spool gasto) — óleo escapa pelo spool para o tanque em vez de chegar ao cilindro.

4. Bomba gasta — não consegue manter pressão sob carga. Mas isto também daria problema desde o início.

5. Filtro pressão entupido — restringe caudal; pressão cai com aumento de demanda. Possível mas raro causar este padrão exacto.

6. Carga real maior que esperada — peça que está a ser prensada oferece mais resistência que dimensionado. Verificar requisitos.

b) Sequência de verificação:

1. Análise da observação — o facto de cair a meio do curso sugere problema "que aparece com pressão" — provavelmente vedação interna do cilindro:
2. Quando cilindro é novo, vedação aguenta toda a pressão.

3. Com desgaste, vedação tem zonas mais fracas; quando pistão chega a essas zonas, óleo passa de um lado para o outro internamente.

4. Teste 1 — Pressão de teste:

5. Ligar manómetro adicional na linha A (avanço do cilindro).
6. Activar avanço; observar pressão.

7. Se pressão sobe gradualmente e depois cai: confirmação de fuga interna do cilindro.

8. Teste 2 — Bloquear cilindro mecanicamente:

9. Bloquear haste do cilindro (mecanicamente, calços) sem permitir movimento.
10. Activar avanço.
11. Pressão deve atingir o valor da válvula limitadora (150 bar) em segundos.

12. Se não atinge: a válvula limitadora está descalibrada OU há fuga interna grande.

13. Teste 3 — Cilindro isolado:

14. Desligar mangueiras do cilindro e ligá-las directamente entre si (curto-circuito).
15. Activar a válvula 4/3.
16. Pressão deve subir rapidamente — se sim, sistema (bomba, válvulas) está OK.

17. Se sobe: confirmação de que o problema é no cilindro.

18. Teste 4 — Inspecção visual do cilindro:

19. Desmontar cabeçal.
20. Examinar vedações: rasgadas? Endurecidas? Riscadas?
21. Examinar superfície interior do tubo: arranhões? Picado?

c) Acções correctivas:

• Mais provável: substituir kit de vedações do cilindro (~30-80 €). Operação 2-4 horas conforme acesso.
• Se tubo do cilindro estiver muito riscado: substituir cilindro inteiro (caro: 500-3000 € conforme diâmetro/curso).
• Se válvula 4/3 estiver gasta: substituir ou enviar a oficina especializada.
• Se válvula limitadora descalibrada: re-ajustar com manómetro digital (ferramenta calibrada).

Documentar: - Causa identificada. - Reparação realizada. - Re-teste depois (pressão atinge 150 bar; cilindro completa curso sem perda). - Atualizar histórico de manutenção.