6 tipos de vedações de cilindro

As máquinas de construção dependem muito dos cilindros hidráulicos, que são componentes integrais na transmissão de força e movimento. A eficiência e a confiabilidade desses cilindros dependem fundamentalmente de vedações de alto desempenho.

Um tipo essencial de vedação usado em cilindros hidráulicos é o anel de vedação, também chamado de vedação de óleo ou vedação hidráulica. Esses componentes desempenham um papel fundamental na manutenção da integridade do sistema, evitando vazamento de óleo, entrada de contaminação e perda de pressão. Os anéis de vedação adequadamente selecionados e instalados garantem o desempenho ideal do cilindro, vida útil prolongada e custos de manutenção reduzidos.

Neste guia abrangente, compilamos uma extensa lista de vários tipos e configurações de anéis de vedação comumente empregados em cilindros hidráulicos para equipamentos de construção. 

Fig. 1 Anéis de vedação.

O cilindro hidráulico emprega uma variedade de componentes de vedação especializados para garantir o desempenho ideal e a longevidade. Esses elementos essenciais de vedação incluem:

1. Vedações contra poeira (ou limpadores): Localizadas na parte externa do cilindro, essas vedações evitam que contaminantes como poeira, sujeira e umidade entrem no sistema, protegendo assim os componentes internos.
2. Vedações da haste: Posicionadas ao redor da haste do cilindro, essas vedações mantêm o fluido hidráulico dentro do cilindro enquanto a haste se estende e retrai, evitando vazamentos e mantendo a pressão do sistema.
3. Vedações amortecedoras: Essas vedações absorvem o impacto e reduzem o ruído no final do curso do cilindro, melhorando a suavidade operacional e minimizando o desgaste dos componentes internos.
4. Anéis-guia (ou anéis de desgaste): Embora não sejam estritamente vedações, esses componentes apoiam o pistão e a haste, reduzindo o contato metal-metal e garantindo o alinhamento adequado em toda a amplitude de movimento do cilindro.
5. Vedações estáticas: Incluem vedações de tampas de extremidade e outras vedações fixas que evitam vazamentos em juntas estacionárias, como entre o cilindro e as tampas de extremidade.
6. Vedações do pistão: Instaladas ao redor do pistão, essas vedações bidirecionais mantêm o diferencial de pressão entre as câmaras do cilindro, permitindo a transmissão de força e garantindo uma operação eficiente.

Fig. 2 A posição de diferentes anéis de vedação.

Noções básicas sobre vedações de cilindros hidráulicos

As vedações de cilindros hidráulicos são componentes essenciais em sistemas hidráulicos, desempenhando um papel fundamental na manutenção da integridade e da eficiência do sistema. Suas principais funções incluem evitar vazamento de fluido, manter a pressão e garantir a operação suave das peças móveis. Compreender as características e as aplicações dos diferentes tipos de vedação é essencial para o desempenho ideal do sistema hidráulico. Os selos são amplamente categorizados em dois tipos principais: selos estáticos e selos dinâmicos, cada um com propriedades e aplicações distintas.

Vedações estáticas

As vedações estáticas são empregadas quando não há movimento relativo entre as superfícies de contato, como em conexões de flange, tampas de acesso ou portas. Essas vedações são projetadas para criar uma barreira estanque contra vazamento de fluido e manter a pressão do sistema. Os tipos comuns de vedações estáticas incluem:

1. O-rings: Amplamente utilizados devido à sua versatilidade e facilidade de instalação, os O-rings são vedações elastoméricas que podem ser aplicadas em várias aplicações. Seu design simples e sua eficácia fazem deles uma escolha popular para muitos requisitos de vedação estática.
2. Gaxetas: Normalmente planas e disponíveis em vários materiais (por exemplo, borracha, metal ou compostos), as gaxetas são usadas para vedar flanges e outras interfaces estáticas. A seleção do material depende de fatores como temperatura, pressão e compatibilidade química.
3. Vedações metálicas: Utilizados em aplicações de alta temperatura ou alta pressão, os selos metálicos são normalmente feitos de alumínio, cobre ou aço. Eles oferecem excelente durabilidade e resistência a condições extremas.

Vedações dinâmicas

Os selos dinâmicos são usados em aplicações que envolvem movimento relativo entre superfícies de contato, como em pistões ou hastes. Esses selos devem suportar movimento e atrito constantes, exigindo maior durabilidade e resistência ao desgaste em comparação com os selos estáticos. Os principais tipos de vedantes dinâmicos incluem:

1. Vedações do pistão: Projetadas para evitar vazamento de fluido entre o pistão e o furo do cilindro, as vedações do pistão são essenciais para manter a pressão hidráulica. A vedação em U, que apresenta uma seção transversal em forma de U, é um projeto comum e eficaz de vedação de pistão.
2. Vedações da haste: Essas vedações evitam o vazamento de fluido na interface haste-cilindro e permitem a livre movimentação da haste. As vedações da haste geralmente incorporam vedações limpadoras, que removem detritos e contaminantes da superfície da haste, mantendo a limpeza do sistema.
3. Selos rotativos: Usados em aplicações com componentes rotativos (por exemplo, motores ou bombas), os selos rotativos mantêm a integridade da vedação durante a rotação contínua. Eles estão disponíveis em configurações radiais e axiais para atender aos requisitos de aplicações específicas.

As considerações sobre a seleção e o projeto do selo são essenciais para o desempenho ideal do sistema hidráulico. Os fatores que influenciam a escolha do selo incluem:

• Faixas de pressão e temperatura de operação
• Compatibilidade com fluidos e resistência química
• Velocidade de movimento (para vedações dinâmicas)
• Condições ambientais e contaminantes
• Vida útil e intervalos de manutenção necessários
• Propriedades do material (por exemplo, dureza, elasticidade, resistência ao desgaste)

Os avanços na tecnologia de vedação levaram ao desenvolvimento de materiais e projetos especializados, como vedações à base de PTFE para aplicações de alta temperatura ou vedações de poliuretano para maior resistência ao desgaste. Além disso, inovações como selos energizados e selos compostos oferecem desempenho aprimorado em condições operacionais desafiadoras.

Tipos de vedações de cilindros hidráulicos

1. Anel de poeira

A vedação contra poeira está localizada na parte externa da tampa da extremidade do cilindro hidráulico e serve para evitar que detritos externos entrem no cilindro.

Com base no método de instalação, as vedações contra poeira podem ser classificadas em dois tipos: de encaixe e de pressão.

Fig. 3 Forma básica do anel contra poeira de encaixe.

O anel contra poeira mais comumente usado é o do tipo snap-in. Como o nome indica, ele se encaixa na ranhura da parede interna da tampa da extremidade e é usado em condições ambientais menos severas. O material usado para o anel contra poeira de encaixe geralmente é poliuretano e ele vem em diferentes estruturas, como a estrutura de lábio duplo tipo H e as seções K. Apesar das variações, seu projeto básico permanece o mesmo.

Fig. 4 Algumas variantes de anel de poeira de encaixe.

O anel contra poeira do tipo press-in é usado em ambientes agressivos e de alta tensão. Diferentemente do tipo snap-in, ele não é inserido na ranhura, mas é reforçado com uma camada de metal para aumentar sua resistência e, em seguida, é inserido na tampa da extremidade do cilindro hidráulico. Existem diferentes tipos de prensa-em anéis de poeira, como o de lábio simples e o de lábio duplo.

Fig. 5 Prensa em anel de poeira e algumas variantes.

2. Anel de vedação da haste do cilindro

O anel de vedação da haste do cilindro, comumente chamado de U-cup, serve como o principal elemento de vedação da haste do pistão. Ele é estrategicamente instalado dentro da tampa da extremidade do cilindro hidráulico para evitar efetivamente o vazamento de óleo hidráulico. Esses anéis de vedação são predominantemente fabricados com materiais de alto desempenho, como poliuretano ou borracha nitrílica, escolhidos por sua excelente resistência ao desgaste, propriedades de baixo atrito e compatibilidade com fluidos hidráulicos.

Em aplicações de alta pressão ou ao lidar com furos de cilindros maiores, o anel de vedação é frequentemente usado em conjunto com um anel de suporte (também conhecido como anel de apoio ou anel antiextrusão). Esse componente adicional evita que o anel de vedação sofra deformação por extrusão sob pressão intensa, aumentando assim a vida útil da vedação e mantendo sua integridade. O anel de suporte geralmente é feito de materiais mais duros, como PTFE ou polietileno de alta densidade.

O projeto dos anéis de vedação da haste do cilindro evoluiu para atender a vários requisitos operacionais e condições ambientais. Os fabricantes oferecem uma ampla gama de variações, incluindo:

1. Projetos de ação simples vs. de ação dupla
2. Diferentes configurações de lábio para otimizar a vedação e a lubrificação
3. Materiais especializados para temperaturas extremas ou resistência química
4. Projetos reforçados para sistemas de alta pressão
5. Revestimentos de baixo atrito para aumentar a eficiência e reduzir o deslizamento

A seleção do anel de vedação apropriado para a haste do cilindro envolve a consideração de fatores como pressão operacional, faixa de temperatura, compatibilidade de fluido, acabamento da superfície da haste e velocidade de rotação para garantir o desempenho ideal e a longevidade do sistema hidráulico.

Fig. 6 Tipos comuns de anel de vedação da haste do cilindro.

Fig. 7 Algumas variantes de anéis de vedação da haste do cilindro.

3. Anel de vedação do amortecedor

O anel de vedação do amortecedor, um componente auxiliar crítico nos sistemas de vedação da haste do pistão, desempenha um papel fundamental na proteção da haste do pistão contra picos de pressão e flutuações repentinas. Essa vedação dinâmica não apenas protege os elementos primários de vedação, mas também contribui para a longevidade e a confiabilidade geral do sistema. Há três configurações principais de vedações de buffer, cada uma projetada para atender a requisitos operacionais específicos:

Tipo A: uma vedação monolítica de peça única fabricada em poliuretano de alto desempenho. Esse projeto oferece excelente resistência ao desgaste, boa elasticidade e capacidade de pressão moderada. É particularmente adequado para aplicações com flutuações moderadas de pressão e onde se deseja simplicidade de instalação.

Tipo B e Tipo C: são conjuntos avançados de vedação de duas peças projetados para evitar a extrusão e suportar diferenciais de pressão significativamente maiores. A construção de duas peças geralmente consiste em um elemento de vedação resiliente emparelhado com um anel antiextrusão:

• O tipo B geralmente utiliza uma combinação de poliuretano para o elemento de vedação dinâmica e um termoplástico rígido ou um composto reforçado com fibra para o componente antiextrusão.
• O tipo C pode empregar um elemento de vedação à base de PTFE acoplado a um anel de apoio de alta resistência, oferecendo resistência química superior e propriedades de baixo atrito.

As configurações Tipo B e Tipo C oferecem maior resistência à pressão, maior estabilidade em condições dinâmicas e melhor proteção contra falhas de vedação em ambientes de alta pressão. A escolha entre esses tipos depende de fatores como pressão máxima do sistema, faixa de temperatura, compatibilidade de fluidos e frequência de ciclos.

Fig. 8 Tipos comuns de anel de vedação do amortecedor.

4. Anel de suporte da guia

O anel de suporte da guia, um componente essencial nos cilindros hidráulicos, está estrategicamente posicionado na tampa da extremidade e no pistão. Esse elemento multifuncional desempenha um papel fundamental para garantir o desempenho ideal e a longevidade do cilindro. Suas principais funções incluem:

1. Suporte da haste do pistão e do pistão: O anel fornece suporte estrutural crucial, distribuindo as cargas uniformemente e minimizando o desgaste.
2. Orientar o movimento linear do pistão: Garante um movimento linear preciso, suave e consistente do pistão, aumentando a eficiência geral do sistema.
3. Prevenção do contato metal-metal: Ao atuar como um amortecedor entre os componentes metálicos, o anel reduz significativamente o atrito, o desgaste e os possíveis danos.

Os anéis de suporte de guia são normalmente fabricados com materiais de alto desempenho cuidadosamente selecionados por suas propriedades específicas. Os materiais comuns incluem:

• Plásticos de engenharia: Como o poliacetal (POM) ou a poliamida (PA) preenchidos com PTFE, que oferecem excelente resistência ao desgaste e baixo atrito.
• Bronze com revestimento de PTFE: Combinando a resistência do bronze com as propriedades de baixo atrito do politetrafluoretileno (PTFE).
• Compostos reforçados com fibras: Para aplicações que exigem maior capacidade de suporte de carga e estabilidade térmica.

A escolha do material depende de fatores como pressão operacional, temperatura, compatibilidade com fluidos e vida útil esperada. Técnicas avançadas de fabricação, como usinagem CNC de precisão ou moldagem por injeção, garantem tolerâncias estreitas e acabamento superficial superior, essenciais para o desempenho do anel.

Fig. 9 Anel de suporte da guia usado na tampa da extremidade do cilindro hidráulico e do pistão.

5. Anel de vedação da tampa da extremidade

O anel de vedação da tampa da extremidade é um componente essencial projetado para fornecer uma vedação hermética na interface entre a tampa da extremidade do cilindro e a parede do cilindro. Funcionando como uma vedação estática, ele desempenha um papel crucial na manutenção da integridade do sistema, evitando o vazamento de fluido hidráulico da junção desses dois componentes principais.

Normalmente, o conjunto do anel de vedação da tampa da extremidade é composto por dois elementos principais: um O-ring NBR (borracha nitrílica butadieno) resiliente e um anel de suporte rígido, geralmente chamado de anel de apoio ou anel antiextrusão. Esse projeto de componente duplo oferece várias vantagens:

1. O anel de vedação NBR, conhecido por sua excelente resistência a óleo e elasticidade, fornece a função primária de vedação. Ele se deforma sob compressão, preenchendo as irregularidades microscópicas da superfície para criar uma barreira eficaz contra o escape de fluidos.
2. O anel de suporte, geralmente feito de um material mais duro, como PTFE (politetrafluoretileno) ou polietileno de alta densidade, tem várias finalidades:

• Ele evita que o anel O-ring seja extrudado para a folga sob alta pressão, aumentando assim a vida útil da vedação.
• Ele ajuda a manter a forma e a posição do O-ring, garantindo um desempenho consistente da vedação.
• Ele oferece resistência adicional ao desgaste e à degradação química, especialmente em ambientes operacionais adversos.

A seleção precisa do material e as especificações dimensionais de ambos os componentes são essenciais e dependem de fatores como pressão operacional, faixa de temperatura, compatibilidade de fluido e vida útil esperada do sistema hidráulico. A instalação adequada e a inspeção periódica do conjunto do anel de vedação da tampa da extremidade são essenciais para o desempenho e a confiabilidade ideais do cilindro hidráulico.

Fig. 10 Anel de vedação da tampa da extremidade.

6. Anel de vedação do pistão

O anel de vedação do pistão é um componente essencial nos cilindros hidráulicos, servindo como o principal elemento de vedação que separa efetivamente as duas câmaras de pressão dentro do cilindro. Essa separação é fundamental para manter o desempenho e a eficiência hidráulicos ideais.

Normalmente, o anel de vedação do pistão utiliza um projeto de duas peças, que consiste em um anel externo e um anel interno. O anel externo é normalmente fabricado com polímeros de alto desempenho, como politetrafluoretileno (PTFE) ou náilon, escolhidos por suas propriedades de baixo atrito e excelente resistência ao desgaste. O anel interno, muitas vezes chamado de energizador, geralmente é feito de borracha nitrílica butadiênica (NBR), que proporciona a elasticidade necessária para manter a pressão constante contra a parede do cilindro.

Existem diversas variações do anel de vedação do pistão para atender a diferentes aplicações e condições operacionais. Uma variante notável incorpora um composto de PTFE preenchido com bronze, que combina as características de baixo atrito do PTFE com a condutividade térmica aprimorada e a resistência ao desgaste do bronze. Esse projeto é particularmente eficaz em aplicações de alta pressão e alta temperatura.

Em cilindros hidráulicos de ação simples, nos quais a pressão é aplicada em apenas uma direção, uma vedação em U de poliuretano pode ser empregada como um anel de vedação de pistão alternativo. Os U-cups de poliuretano oferecem excelente resistência à abrasão, boa elasticidade e propriedades de vedação eficazes, o que os torna adequados para aplicações de pressão moderada em que a relação custo-benefício é um fator importante.

A seleção do design e do material adequados do anel de vedação do pistão depende de fatores como pressão operacional, temperatura, compatibilidade do fluido, velocidade do cilindro e vida útil esperada. A seleção e a instalação adequadas do anel de vedação do pistão são essenciais para garantir o desempenho ideal do cilindro, minimizando o vazamento e maximizando a eficiência geral do sistema hidráulico.

Fig. 11 Tipos comuns de anel de vedação do pistão.