Cilindros hidráulicos: Um guia completo

O óleo hidráulico, quando comprimido num cilindro hidráulico, gera uma pressão significativa. Esta pressão é utilizada em numerosos dispositivos mecânicos e, hoje, iremos abordar as especificidades dos cilindros hidráulicos.

Um cilindro hidráulico é um atuador hidráulico que transforma a energia hidráulica em energia mecânica, realizando movimentos recíprocos lineares (ou movimentos oscilantes). A sua estrutura é simples e o seu funcionamento é fiável.

Quando é utilizado para efetuar movimentos alternativos, pode eliminar a necessidade de dispositivos de desaceleração e não existe qualquer intervalo de transmissão, garantindo um movimento suave. Por conseguinte, é amplamente utilizado em vários sistemas hidráulicos de máquinas.

A força de saída de um cilindro hidráulico é diretamente proporcional à área efectiva do pistão e à diferença de pressão em ambos os lados do mesmo. Um cilindro hidráulico é constituído essencialmente por um cilindro e uma cabeça de cilindro, um pistão e uma biela, um dispositivo de vedação, um dispositivo de amortecimento e um dispositivo de escape.

Os dispositivos de proteção e de escape dependem da aplicação específica, enquanto os outros dispositivos são indispensáveis.

I. Composição do cilindro hidráulico

Um cilindro hidráulico é normalmente constituído por uma tampa da extremidade traseira, um cilindro, uma haste de pistão, um conjunto de pistão, uma tampa da extremidade dianteira e outros componentes principais.

Para evitar fugas de óleo do cilindro hidráulico ou fugas da câmara de alta pressão para a câmara de baixa pressão, são instalados dispositivos de vedação entre o cilindro e a tampa da extremidade, o pistão e a haste do pistão, o pistão e o cilindro, e a haste do pistão e a tampa da extremidade dianteira.

No lado exterior da tampa da extremidade dianteira, está também instalado um dispositivo de proteção contra o pó. Para evitar que o pistão bata na tampa do cilindro quando regressa rapidamente ao fim do curso, é instalado um dispositivo de amortecimento na extremidade do cilindro hidráulico e, por vezes, é também necessário um dispositivo de escape.

1 - Cilindro;
2- Manga de guia do cilindro exterior;
3- Tubo de derivação;
4- Conjunto do cilindro de haste;
5- Pistão;
6- Corpo guia do cilindro interior;
7- Haste do pistão.

Cilindro:

O cilindro é a parte principal do cilindro hidráulico. Forma uma câmara fechada com a tampa do cilindro e outras peças para acionar o movimento do pistão.

Tampa do cilindro:

A tampa do cilindro é instalada em ambas as extremidades do cilindro hidráulico, formando uma câmara de óleo estanque com o cilindro. Os métodos de ligação incluem normalmente soldadura, roscas, parafusos, chaves e tirantes. A escolha depende de factores como a pressão de trabalho, o método de ligação do cilindro e o ambiente de funcionamento.

Haste do pistão:

A haste do pistão é o elemento principal do cilindro hidráulico para a transmissão de força. O material é geralmente aço de carbono médio (como o Aço 45#). A haste do pistão é submetida a um impulso, a uma tensão ou a um momento fletor durante o funcionamento do cilindro. É necessário assegurar a sua resistência e a sua adaptação à manga de guia, onde desliza frequentemente, deve ser adequada.

Pistão:

O pistão é o principal elemento de conversão da energia hidráulica em energia mecânica. A sua área de trabalho efectiva afecta diretamente a força e a velocidade de movimento do cilindro hidráulico. Existem várias formas de ligação entre o pistão e a haste do pistão, incluindo o tipo de anel de pressão, o tipo de casquilho e o tipo de porca.

Manga de guia:

A manga de guia orienta e suporta a haste do pistão. Exige alta precisão, baixa resistência ao atrito, boa resistência ao desgaste e a capacidade de suportar a pressão, a força de flexão e a vibração de impacto da haste do pistão.

Está equipado com um dispositivo de vedação para assegurar a vedação da câmara da haste e um anel de pó no exterior para evitar que as impurezas, o pó e a humidade danifiquem a vedação.

Dispositivo de proteção:

Quando o pistão e a haste do pistão se movem sob pressão hidráulica, têm um impulso significativo. Quando atingem a tampa da extremidade e a parte inferior do cilindro, podem causar uma colisão mecânica, resultando numa pressão de impacto e ruído elevados. O dispositivo de amortecimento é utilizado para evitar esta colisão.

O seu princípio de funcionamento consiste em converter a energia cinética do óleo hidráulico na câmara de baixa pressão do cilindro (na totalidade ou em parte) em energia térmica através do estrangulamento. A energia térmica é então transportada para fora do cilindro hidráulico pelo óleo em circulação.

O dispositivo de proteção divide-se em dois tipos: dispositivo de proteção de área de estrangulamento constante e dispositivo de proteção de estrangulamento variável.

II. Princípios da transmissão hidráulica

A transmissão hidráulica utiliza o óleo como meio de trabalho, transmitindo movimento através de alterações no volume selado e potência através da pressão interna do óleo.

Componente de potência: Transforma a energia mecânica do motor principal em energia hidráulica (energia de pressão), por exemplo, a bomba hidráulica.

Componente de acionamento: Converte a energia hidráulica fornecida pela bomba em energia mecânica, accionando o mecanismo de funcionamento. Os exemplos incluem cilindros e motores hidráulicos.

Componente de controlo: Regulam e controlam a pressão, o fluxo e a direção do óleo. Os exemplos incluem válvulas de controlo da pressão, válvulas de controlo do fluxo e válvulas de controlo da direção.

Componente auxiliar: Liga os três componentes anteriores num sistema, desempenhando funções como o armazenamento de óleo, a filtragem, a medição e a vedação. Os exemplos incluem tubagens e conectores, depósitos de óleo, filtros, acumuladores, vedantes e instrumentos de controlo.

III. Classificação dos cilindros hidráulicos segundo a estrutura

Cilindro hidráulico do tipo pistão:

Um cilindro hidráulico de haste simples tem uma haste numa só extremidade. Os seus orifícios de entrada e saída de óleo A e B podem transmitir óleo pressurizado ou devolver óleo, permitindo um movimento bidirecional, pelo que é designado por cilindro de dupla ação.

Cilindro hidráulico telescópico:

Apresenta um pistão de duas fases ou de várias fases. Num cilindro hidráulico telescópico, a sequência de extensão do pistão é da maior para a menor, enquanto a sequência de retração sem carga é geralmente da menor para a maior.

Os cilindros telescópicos podem atingir cursos mais longos, mas o seu comprimento de retração é mais curto, tornando a estrutura compacta. Este tipo de cilindro hidráulico é normalmente utilizado em máquinas de construção e agrícolas.

Cilindro hidráulico oscilante:

Um componente de execução de binário de saída e de movimento alternativo, também conhecido como motor hidráulico de balanço. Existe nas variantes de palheta simples e palheta dupla. O bloco do estator está fixo no corpo do cilindro, enquanto a palheta e o rotor estão ligados. Consoante a direção do fluxo de óleo, a palheta faz oscilar o rotor para a frente e para trás.

IV. Principais parâmetros dos cilindros hidráulicos

Os principais parâmetros dos cilindros hidráulicos incluem a pressão, o caudal, as especificações de tamanho, o curso do pistão, a velocidade de movimento, a força de tração, a eficiência e a potência do cilindro hidráulico, entre outros.

Pressão:

A pressão é a intensidade da força exercida pelo óleo numa unidade de área. A fórmula de cálculo é p=F/A, em que F é a carga que actua no pistão dividida pela área de trabalho efectiva do pistão. Na mesma área de trabalho efectiva de um pistão, quanto maior for a carga, maior será a pressão necessária para vencer a carga.

Com base na pressão de trabalho, os cilindros hidráulicos podem ser classificados como cilindros hidráulicos de baixa pressão (70kgf/cm² ou 7Mpa), de média pressão (140kgf/cm² ou 14Mpa) ou de alta pressão (210kgf/cm² ou 21Mpa).

Fluxo:

O fluxo é o volume de óleo que passa através da área efectiva da secção transversal do cilindro por unidade de tempo. A fórmula de cálculo é Q=V/t=vA, em que V é o volume de óleo consumido num curso do pistão do cilindro hidráulico, t é o tempo necessário para um curso do pistão do cilindro hidráulico, v é a velocidade da haste do pistão e A é a área de trabalho efectiva do pistão.

Curso do pistão:

O curso do pistão refere-se à distância percorrida pelo pistão no seu movimento recíproco entre dois extremos. Geralmente, depois de cumprido o requisito de estabilidade do cilindro, é selecionado um curso padrão próximo do curso de trabalho real.

Velocidade do pistão:

A velocidade de movimento é a distância que o óleo pressurizado empurra o pistão por unidade de tempo, representada por v=Q/A.

Especificações de tamanho:

As especificações de tamanho incluem principalmente os diâmetros interno e externo do cilindro, o diâmetro do pistão, o diâmetro da haste do pistão e as dimensões da cabeça do cilindro. Estas dimensões são calculadas, projectadas e verificadas com base no ambiente de funcionamento do cilindro hidráulico, no método de instalação, na força de tração necessária e no curso.

V. Conceção interna do cilindro hidráulico

Objetivo da conceção: Determinado com base na temperatura de funcionamento no local, no meio de trabalho e nas condições de fabrico da nossa fábrica. As dimensões da estrutura interna são calculadas com base no Mechanical Design Handbook.

• A seleção do vedante deve basear-se na temperatura de funcionamento no local, nas condições de poluição ambiental e no meio de trabalho. Os vedantes de poliuretano não podem ser utilizados com um meio de água-etilenoglicol.
• A cabeça do cilindro hidráulico deve, idealmente, utilizar uma junta combinada do tipo V para compensar os erros na suavidade do processamento da ranhura.
• As dimensões das ranhuras de vedação devem respeitar rigorosamente o manual de projeto.
• Geralmente, os vedantes do pistão do cilindro hidráulico utilizam anéis Glyd juntamente com fitas-guia, uma vez que os anéis Glyd têm boa resistência a altas temperaturas e propriedades antipoluição.
• Normalmente, os vedantes de cilindros pneumáticos utilizam a série japonesa NOK. Os vedantes de cilindros hidráulicos nacionais não devem ser utilizados, uma vez que causam demasiada resistência ao arranque do cilindro, levando a um funcionamento instável ou mesmo a uma falha.
• O anel de vedação O-ring entre a cabeça do cilindro hidráulico, o fundo do cilindro e o corpo do cilindro deve, idealmente, ter um anel de bloqueio para compensar os erros de fabrico.
• A ligação entre o corpo do cilindro, a cabeça do cilindro, o fundo do cilindro e o balanço no meio deve evitar a soldadura, uma vez que pode causar a deformação do corpo do cilindro. Em vez disso, podem ser utilizadas ligações roscadas ou outros métodos.

VI. Manutenção e problemas comuns dos cilindros hidráulicos

Fuga de óleo do cilindro hidráulico:

A fuga externa refere-se à fuga de óleo de várias partes não vedadas para a atmosfera exterior ao cilindro hidráulico. As fugas externas mais comuns provêm dos três locais seguintes:

(1) Fuga de óleo do vedante entre a manga do cilindro hidráulico e a tampa do cilindro (ou manga guia) (Solução: Substituir por um novo O-ring).

(2) Fuga de óleo devido ao movimento relativo entre a haste do pistão e a manga de guia (Solução: Se a haste do pistão estiver danificada, limpe-a com gasolina, seque-a, aplique adesivo metálico na área danificada e, em seguida, mova o vedante de óleo da haste do pistão para trás e para a frente na haste do pistão para raspar o excesso de adesivo.

Quando o adesivo estiver completamente curado, pode voltar a ser utilizado. Se a manga guia estiver gasta, pode ser maquinada uma manga guia de diâmetro ligeiramente inferior para substituição).

(3) Fuga de óleo causada por má vedação da junta do tubo do cilindro hidráulico (Solução: Para além de verificar o estado de vedação do anel de vedação, verificar se a junta está corretamente montada, se está bem aparafusada e se a superfície de contacto tem riscos, etc. Se necessário, substituir ou reparar).

A fuga interna do cilindro hidráulico refere-se à fuga interna de óleo no cilindro hidráulico da câmara de alta pressão para a câmara de baixa pressão através de várias aberturas.

As fugas internas são mais difíceis de detetar e só podem ser avaliadas pelas condições de funcionamento do sistema, tais como impulso insuficiente, diminuição da velocidade, funcionamento instável ou aumento da temperatura do óleo. A fuga interna do cilindro hidráulico ocorre geralmente nos dois locais seguintes:

(1) A peça de vedação estática entre a haste do pistão e o pistão (Solução: Instalar um O-ring na superfície de vedação entre eles).

(2) O vedação dinâmica peça entre a parede interior da manga do cilindro e o pistão (Solução: Quando é detectada uma fuga interna, deve ser realizada uma inspeção rigorosa de cada peça correspondente. A reparação da manga do cilindro envolve frequentemente a perfuração do orifício interior, seguida da montagem de um pistão com um diâmetro maior).