Análise de Falhas em sistemas Hidráulicos e Pneumáticos

(Por Professor/Engenheiro Cláudio Válerio) -Treinamentos/Consultorias/Cursos personalizados

Esta coluna se destina a fornecer, a quem a consulte, uma orientação clara e sucinta sobre o uso de elementos hidráulicos e pneumáticos em qualquer automação onde as estas tecnologias são aplicavéis. Indico uma série de sugestões para o bom funcionamento dos equipamentos ,bem como, um guia para identificação de possíveis falhas e soluções.

Sistemas hidráulicos e pneumáticos são tecnologias simples, com relação aos projetos de circuitos, robustos e confiavéis. É por isso que nós, usuários dos mesmos, temos que aumentar a concientização sobre os cuidados que merecem os recursos associados a este universo, bem como a seus componentes.

Para concluir, é importante disseminar os conhecimentos adquiridos e, assim, contribuir para uma melhor compreensão por parte dos interessados.

Manutenção de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos

A correta manutenção dos sistemas hidráulicos e pneumáticos , bem como, seus elementos individuais não pode começar quando você tiver verificado o desgaste e a consequente necessidade de reparos. Por isso, resulta imprescindível a manutenção preventiva, de modo que não se prejudique a vida utíl , tanto dos dos dispositivos hidráulicos quanto dos comandos pneumáticos, ao contrário, trata-se de aumenta-la. 

Uma manutenção sistemática não produz gastos inutéis, pelo contrario, contribui para a redução dos altos custos causados por vazamentos, sejam eles de ar, oléo,reparos inesperados, peças de reposição com desgastes prematuros ou perdas de produção por tempo de maquinas paradas. 

Em casos de grandes equipamentos, que podem trazer incorporados dispositivos automáticos, é conveniente ter pessoal de manutenção devidamente treinado e/ou especializado. Isto é completamente oposto a lugares onde os controles são simples, e as tarefas de manutenção são modestas, de modo que o pessoal envolvido pode não estar disponível em tempo integral. Quanto a este último, deve-se determinar as pessoas que realizarão a manutenção, principalmente para que um não confie a outro realizar a tarefa, assegurando assim, que a manutenção será executada de fato. 

A base de um plano de manutenção sistemático e consistente, é o conhecido check-list, pois é muito difícil lembrar a sequência correta dos pontos a verificar em cada dispositivo ou sistema.

Para a elaboração deste check-list, para cada uma das maquinas existentes na fabrica ou no campo, podemos nos valer das mais variadas documentações fornecidas pelos fabricantes. Um exemplo desta documentação são as instruções de montagem e uso dos fabricantes dos equipamentos, certificados de garantia com instruções especificas, se houverem, recomendações dos fabricantes dos componentes aplicados, todos estes dados podem contribuir para a elaboração do referido check-list.

Finalmente,  é importante definir um intervalo de tempo regular em que as tarefas de manutenção serão realizadas e executa-lo sistemáticamente.

Características  dos fluídos Hidráulicos

A seleção e cuidado  que se tenha com o fluido hidráulico de uma máquina tem um efeito significativo sobre o funcionamento e durabilidade dos seus componentes hidráulicos. A composição e aplicação de fluídos hidráulicos é uma ciência  separada, que esta além do escopo deste manual. Neste capítulo você vai encontrar os principais fatores envolvidos na escolha de um fluído e seu uso adequado.

Aqui, definimos fluído como qualquer liquido ou gás. No entanto, fluído é um termo  difundido para se referir ao liquido usado como meio de transmissão de energia,veremos os tipos de fluídos hidráulicos, óleo mineral ou quaisquer fluídos inflámaveis adequados, que podem ser compostos sintéticos.

O fluído hidráulico tem quatro objetivos principais: transmissão da potência, lubrificação das partes móveis, redução dos vazamentos internos, resfriamento ou dissipação de calor.

Transmissão de energia

Como meio de transmissão de energia, o fluído deve circular facilmente através das linhas e dos orificios dos elementos. Muita resistência ao fluxo provoca perdas significativas de energia. O liquido deve ser tão incompressível quanto possível, de modo que quando o trabalho da bomba ou das válvulas se inicie a ação  do fluído seja instantânea.

Lubrificação

Na maoiria dos elementos hidráulicos, a lubrificação interna é proporcionada pelo pelo fluído. Os elementos das bombas e outras peças  de desgaste deslizam uns contra os outros sobre uma pelicula de óleo. Para prolongar a vida útil dos componentes, o óleo deve conter aditivos com propriedades características antidesgaste. Nem todos os óleos tem estes aditivos.

A fabricante VICKERS, recomenda a nova geração de óleos hidráulicos industriais contendo quantidades adequadas de aditivos anti-desgaste. Para o serviço geral da hidráulica, estes óleos fornecerão  proteção contra o desgaste de bombas e motores e oferecem a vantagem de uma longa vida útil. Além disso, estes óleos proporcionam uma boa demulsibilidade assim como,  proteção contra oxidação. Estes são óleos conhecidos como " óleos hidráulicos tipo antidesgaste ".

A experiência tem demonstrado que os óleos para cárter automotivo tipo "MS" , viscosidade SAE10 W e 20 - 20 W, são excelentes para serviços hidráulicos severos, quando não há  nenhuma ou  há pouca água no sistema. O único inconveniente é que seus aditivos detergentes tendem a emulsioanar a água com o óleo impedindo sua separação, mesmo durante um longo período.

Devemos observar que, poucos problemas foram esperimentados até presente momento no emprego destes óleos em sistemas hidráulicos de maquinas industriais. A condensação normal  não tem sido um problema.

Os óleos "MS", são especialmente recomendados para os sistemas hidráulicos de equipamentos da linha MOBIL, ( tratores, escavadeiras, acabadoras de asfalto, etc).

Estanqueidade

Em muitos casos, o fluído é  apenas o único sêlo contra a pressão dentro de um componente hidráulico. Geralmente,  não há anel de vedação entre o carretel de uma válvula e sua séde no corpo de trabalho para reduzir as fugas entre as passagens de alta e baixa pressão. O ajuste mecânico e a viscosidade do óleo determinam o fator percentual das fugas.

Resfriamento

A circulação do óleo através da linhas e ao redor das paredes do reservátorio dissipam parte do calor gerado no sistema.

Requisitos  de qualidade para fluídos hidráulicos

• Evitar oxidação
• Evitar a formação de goma, lama e vernizes
• Reduzir a formação de espuma
• Manter sua propria estabilidade e, portanto,  reduzir custos de trocas do fluidos.
• Manter uma viscosidade relativamente estável dentro de ampla faixa de variações de temperatura.
• Impedir a corrosão e a formação de porosidades.
  
• Separar a água.

 

Todos estes requisitos de qualidade são frequentemente, resultado de uma composição especial e podem não estar presentes em todos os fluídos.

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Figura 3.1 - O fluído lubrifica as peças moveís .

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(Fig.3.2) A circulação do óleo impede o aquecimento do sistema.

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Propriedades do fluído hidráulico

Consideramos  a continuação das propriedades do fluídos hidráulicos que lhe permitem realizar suas funções fundamentais e cumprir alguns ou todos os seus requisitos de qualidade.

1.Viscosidade

A viscosidade é a medida da resistência do fluído a circulação dele mesmo. Se um fluído circula com facilidade , sua viscosidade é baixa, também se pode dizer que é fluído fino, que tem pouca consistência ou pouco corpo. Um fluído que circula com dificuldade tem viscosidade alta, é grosso e tem muita consistência.

Viscosidade - Uma solução de compromisso:

Em qualquer máquina hidráulica a viscosidade do fluído deve ser um compromisso. Uma viscosidade elevada é desejavél para manter a estanqueidade entre as superficíes adjacentes. Contudo, uma viscosidade demasiado alta alumenta a fricção, ocasionando:

• Elevada resistência ao fluxo.
• Alto consumo de potência devido as perdas pelas friccão.
• Elevada temperatura cuasada pela fricção.
• Aumento de perda de pressão devido a resitência.
  
• Possibilidade de diminuição da velocidade do sistema.
• Dificuldade na separação do ar e do óleo no reservatório.

 

Em casos de viscosidade demasidamente baixa:

• Aumento das fugas.
  
• Desgaste excessivo e inclusive o travamento em cargas elevadas podem ocorrer ao destruir-se a pelicula de óleo entre as peças móveis. 
• Pode reduzir o rendimento da bomba fazendo com que o atuador funcione mais lentamente.
• Aumento das temperaturas devido as fugas internas.

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Definição de viscosidade

Alguns métodos para definir a viscosidade, por ordem decrecente de precissão são:

• Viscosidade absoluta em poise.
• VIscosidade cinemática em centstokes
• Viscosidade relativa em Segundo Universais Saybolt (SUS)
• Numeros SAE

A viscosidade dos fluídos hidráulicos são especificados em SUS nos EUA por razões historicas.

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2. Ponto de fluidez

O ponto de fluidez é a temperatura mais baixa a que o liquido pode fluir. É uma especificação muito importante se o sistema está exposto a temperaturas extremamente baixas. Como regra geral, o ponto de fluidez deve estar 10^o  abaixo da temperatura mais baixa de utilização.

2.1 Viscosidade dinámica
 

Considerando a viscosidade  com a resitência  que oferece um capa de fluído para deslizar sobre outra, é fácil medir em um laboratório a viscosidade dinámica. A viscosidade de um poise é, por definição, a viscosidade que tem um fluído. quando  a força necessária para mover uma superficie de um cm²  sobre  outra identica paralela, (Fig. 3.3), situada i cm  de distancia, com uma velocidade relativa de 1cm/seg. é um dina,( no sitema  C.G.S a força se mede em dinas e a superficie em cm²).
Expressado de uma outra forma, a viscosidade dinámica é a relação entre o esforço de cizalhamento e a velocidade de cizalhamento de um fluído.

Viscosidade dinámica =  esforço  de  cizalhamento    
                                             velocidade de cizalhamento 

1 Poise =     dina.segundo

                          cm²

Uma unidade menor de viscosidade dinámica é o centipoise, que é a centésima parte de 1 poise.

1 centipoise = 0,01 poise

2.2 Viscosidade cinemática

O conceito de viscosidade cinemática é uma consquência da utilização de uma coluna  de liquido para produzir uma circulação dele mesmo através de um tubo capilar. O coeficiente de viscosidade cinamática é o resultado da divisão do coeficiente de viscosidade dinámica pela densidade do fluído. No sistema C.G.S , a unidade de viscosidade cinemática (stokes), é de cm²/seg. O centistikes é a centésima parte do stokes. As viscosidades dinámica e cinemática estão relacionadas da seguinte forma :

centipoise = centistokes x densidade

centistokes =  centipoise

                      densidade

 2.3 Viscosidade SUS        

Para a maioria das aplicações práticas é suficiente conhecer a viscosidade relativa do fluído. A viscosidade relativa se determina medindo o tempo que demora uma certa quantidade de liquido em fluir através de um orificio normalizado a uma temperatura  determinada. Há vários siistemas  de medida. O método mais utilizado nos EUA é o viscosímetro Saybolt,(fig.3.4).

O tempo que transcorre para fluir uma determinada quantidade de liquido através do orificio se mede com um relogio. A viscosidade em Segundo Universal Saybolt,( SUS), se iguala ao tempo transcorrido.

Naturalmente, um liquido gosso fluirá mais devagar  e a viscosidade SUS será mais alta que a de um liquido menos grosso que fluirá mais rápido. Como o óleo torna-se mais viscoso em temperaturas baixas e aumenta sua viscosidade quando aqueçe, a viscosidade se deve espressar com SUS determinados a uma temperatura especifica. As medidas se fazem geralemente a 100^o F ou 210^oF ( 37.8^o C  ou 98.9^o ).

Para aplicações industriais, a viscosidade do óleo costuma ser da ordem de 150 SUS a 100^o(37.8^o). É uma norma geral que a viscosidade não deve ser nunca inferior a 45 SUS, nem superior a 4000 SUS independentemente da temperatura. Quando se trabalha com temperaturas estremas, o fluído deve ter um índice de viscosidade muito elevado.

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Figura 3.3 - Medida da viscosidade absoluta.

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Figura 3.4 O viscosimetro Saybolt mede a viscosidade relativa

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2.4  Numeros SAE

Os números SAE tem sido estabelecidos pela Society of Automotive Engineers para estabelecer intervalos de viscosidade SUS a temperatura de prova SAE. Os números de inverno (5W, 10W, 20W), se determinam fazendo medidas a 0^{o F} (- 17.9^o C). Os números de verão ( 20,30,40,50, etc), designam o intervalo SUS a 210^oF (98.9^oC).Veja-se a tabela 3.1 de intervalos de temperatura.

2.5 índice de viscosidade (IV)

O índice de viscosidade é um número arbitrario que indica a mudança de visosidade do fluído com a variação da temperatura. Um fluído que tenha  uma visosidade relativamente estavel em temperaturas extremas tem um índice de viscosidade (IV)muito elevado. Um fulído que seja muito espesso em temperatura baixas e fino a temperaturas elevadas terá um (IV) muito baixo. Na figura 3.5 se campara óleos com índices de viscosidade de 50 e 90, cujas viscosidades em três temperatura distintaspodem ser vistas no quadro seguinte:

 

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Observe-se que o óleo de 90 IV é menos viscoso  a 17.8^oC  e mais viscoso a 98.9^oC que o óleo de índece 50 IV, no entanto que ambos tem a mesma viscosidade a 37.8^oC. A escala original de IV estava comprendida entre 0 e 100, representando as características piores e melhores conhecidas.

 

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Figura 3.5 O indice de viscosida (VI)  é uma medida relativa da variação de viscosidade com a temperatura.

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3. Capacidade de lubrificação

E desejável que as peças móveis do sistema hidráulico tenham uma folga suficiente para que possam deslizar sobre uma película de fluído (Fig.3.6). Esta condição se chama lubrificação completa. Se o fluído tem uma viscosidade adequada, as pequenas imperfeições das superficíes das peças metálicas não se tocarão. No entanto, em equipamentos de alta precisão, as altas pressões e velocidades, em conjunto com baixas folgas, fazem com que a película de óleo torne-se muito fina (Fig. 3.7),causando então uma condição limite de lubrificação.Aqui pode haver contato metal-metal entre as faces de contato e será necessário um óleo compropriedades qeuimicas especiais.

Figura 3.6 A película lubrificante impede o contato metal com metal.

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Figura 3.7 A lubrificaçao de conatto requer aditivos quimicos.

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4.Resistencia a oxidação

A oxidação ou reação quimica com o oxigênioé um fator  importante que reduz a vida util ou duração de um fluído. Os óleos saão particularmente sucetiveís a oxidação já que o oxigênio se combina  fácilmente com o carbono e o hidrogênio que formam parte da composição quimica dos óleos. A maioria dos produtos da oxidaçãosão soluvéis no óleo e tem reações entre eles, formando goma, lodo ou verniz, que devido a sua acidez , podem originar corrosão no sistema, além disso, aumentar a viscosidade do óleo. Os produtos da oxidação que insoluvéis, tampam os orifícios , aumentam o desgaste e fazem com que o embôlos das válvulas trabalhem forçados ou a ocorrência de travamentos.

5. Catalizadores

Há sempre um número de catalizadores de oxidação nos sistemas hidráulicos. O calor, a presão, os contaminantes, a água, as superficies metálicas e a agitação, todos eles acelaram a oxidação uma vez qeu esta começa. É particularmente importante a temperatura. A experiência tem demonstrado que a temperaturas inferiores a 57^oC o óleo se oxida lentamente. Mas, a velocidade de oxidação,(ou qualquer outra reação quimica), dobra aproximadamente a cada aumento de temperatura em 10^o. Os fabricantes de óleo hidráulico adicionam aditivos para reistir a oxidação , já que muitos sistemas trabalham em temperaturas muito altas, este aditivos:

• Impedem imediatamente qeu a oxidação continue, uma vez inciada,( tipo rompedor de cana).
• Reduzem o efeito dos catalizadores de oxidação,( tipo destativador metálico).
  

6. Prevenção da oxidação e corrosão

A oxidaçaõ, (Fig.3.8), é a união quimica do ferro,(ou aço), com o oxigênio. A corrosão é uma reação quimica entre o metal e um ácido. Os ácidos resultamda combinação química da água com certos elementos. Já qu é geralmente impossível impedir que o ar da atmosfera e a umidade nele contida penetren no sistema hidráulico, haverá sempre a possibilidade de que haja oxidação e corrosão. Durante a corrosão as partículas de metal se dissolvem e se desprendem do componente, ( Fig.3.9).Tanto a oxidação como a corrosão contaminam o sistema e causam desgastes. Tambem causam fugas excessivas e podem ocorrer travamentos dos componenetes. Podemos evitar a oxidaçao e a corrosão incorporando aditivos ao fluído, que protegam as superficies metralicas dos atques químicos.

7. Demulsibilidade

Pequenas quantidades de água podem ser toleradas na maioria dos sistemas. Na verdade, alguns componetes antioxidantes promovem um certo grau de emulsificação , ou mescla com a água que penetra no sistema. Isto impede que a água se deposite e ropma a película anti-oxidação. No entanto, demasiada água no óleo facilita o acumulo de contaminantes qeu podem causar o travamento das válvulase e a aceleração dos desgastes. Com aditivos adequados, podemos conseguir que um óleo hidráulico tenha um alto grau de desemulsibilidade ou capacidade de separar a água.

8. Uso de aditivos

Como a maioria das propriedades desejaveís de um fluído são, pelo menos, parcialmente atribuidas aos aditivos, poderiamos supor qeu os aditivos comerciais podem ser incorporados a qualquer óleo para torna-lo mais adequado a um sistema hidráulico. Os fabricantes, no entanto, se previnem contra isso dizendo qeu os aditivos deves ser compativeís com o fluído base e entre si, e mais ainda, que esta compatibilidade não pode ser facilmente determinada pelo usuário. A que se disponha de um laborátorio para averiguar sua compatibilidade, é melhor deichar o uso de aditivos a critério dos fabricantes de fluídos...

 

 

 

 

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Ultima atualização:  15/09/2011 - ( Traduzido  e postado por Luiz Massa)

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