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Entenda como dimensionar um Booster e Cilindro Hidropneumático para seu projeto
O que significa a palavra booster?
A palavra “Booster” é utilizada em diferentes idiomas e significa aumento de força. Para o booster hidropneumático, iremos nos referir ao aumento de pressão.
O que é um booster hidropneumático?
É um equipamento que através da relação de áreas aumenta a pressão de trabalho. No caso específico do booster hidropneumático a relação entre a área do êmbolo pneumático pela área do êmbolo hidráulico nos fornece a relação de aumento de pressão.
Vamos relembrar o que é o Princípio de Pascal?
É o princípio físico elaborado pelo físico e matemático francês Blaise Pascal, que estabelece que a pressão aplicada em um ponto de um fluido em repouso transmite-se integralmente a todos os pontos do fluido.
ΔP1 =Δ P2
A diferença de pressão entre dois pontos quaisquer de um fluído em equilíbrio estático deve ser igual
Pressão é definida pela razão entre a força aplicada e a área da aplicação. Essa grandeza física é medida em pascal (Pa). De acordo com o princípio de Pascal, ao aplicar-se uma força sobre um sistema hidráulico, como em um conjunto de pistões, o aumento de pressão sobre o pistão será exercido de maneira uniforme em todos os pontos do fluido.
Se o fluido estiver em contato com outro pistão de área 10 vezes maior, a força exercida sobre ele será 10 vezes maior do que aquela exercida sobre o primeiro pistão. Dessa forma, o aumento de pressão em cada um dos pistões será igual.
Nas figuras abaixo, temos dois pistões conectados por um fluido incompressível em equilíbrio estático:
Ao aplicar-se uma força F1 sobre o pistão de área A1, um aumento de pressão é comunicado por todo o fluido. Dessa forma, como a área A2 do pistão é maior que a área A1 do pistão, a força exercida sobre a área A2 do pistão deverá ser proporcionalmente maior em relação às suas áreas. Portanto, o princípio de Pascal pode ser escrito por meio da seguinte equação:
Como se dá a multiplicação de pressão no booster hidropneumático?
O aumento de pressão se dá através das diferenças entre as áreas de atuação, ou seja, a relação da área pneumática para a área hidráulica. Esta diferença produz um fator de multiplicação.
Exemplo:
Diâmetro Pneumático: 203 mm – A1 = 323,64 cm²
Diâmetro Hidráulico: 35 mm – A2 = 9,62 cm²
Se dividirmos A1/A2 = 32,66. Essa é a relação entre as áreas, ou seja, 33,64 : 1, assim cada kgf/cm² de pressão pneumática será multiplicado por 33,64 vezes e convertido em pressão hidráulica.
Na linha de Booster Hidropneumático Belton localizamos o booster com relação de 33:1 em: https://www.belton.com.br/booster-hidropneumatico-bhp33
IMPORTANTE: As relações de áreas são definidas pelo fabricante e não há necessidade de serem calculadas.
Utilizando uma pressão pneumática máxima permitida de 6kgf/cm² em um booster hidropneumático com relação de 33:1 vamos obter uma pressão hidráulica de 198kgf/cm². Com essa informação podemos definir qual o cilindro hidro pneumático para atender as especificações de força de um determinado projeto, uma vez que F = P x A.
F = força, P = pressão e A = área
Como funciona o cilindro hidropneumático?
Esse modelo de cilindro realiza o trabalho, força hidráulica no avanço e por um determinado curso, sendo o retorno do mesmo a posição inicial é realizada por ar comprimido.
- Por que somente por um determinado curso aplica força hidráulica?
Os deslocamentos dos cilindros hidropneumáticos dependem diretamente do volume de óleo deslocado pelo booster hidropneumático. Como o booster tem volume de alta pressão reduzido, os cursos ficam limitados a esses volumes.
A aproximação pode ser feita de forma rápida usando o volume de óleo do reservatório que é atuado por ar comprimido.
- Dimensionando o cilindro e o booster hidropneumático
-
Para efeito de ilustração o cilindro hidropneumático:
- Força de 5000kgf
- Curso de 105 mm
- Curso de aproximação de 100 mm
- Curso de força de 5 mm
Como indicado anteriormente F = P x A, nesse caso a força é de 5000 kgf. Se utilizarmos um BHP33, sabemos que a sua pressão máxima é de 198 kgf/cm², substituindo na fórmula:
5000 = 198 x A → A = 5000/198 → A = 25,25cm²
Para determinamos o diâmetro do cilindro, temos que A = ∏ x r², substituindo na fórmula:
25,25 = ∏ x r² → r² = 25,25/3,1415 → r² = 8,03 → r = √8,03 → r = 2,833 cm
D = 2 x r → D = 2 x 2,833 → D = 5,666 cm ou D = 56,66 mm
Os diâmetros padrões de cilindro hidropneumático são:
40, 50, 63, 80, 100, 125 e 160
Como o valor encontrado é maior que 50, nossa escolha fica com o próximo diâmetro padrão que é 63.
- Qual a força que vamos obter com o cilindro diâmetro 63?
A área para o cilindro de 63 é de 31,17cm², então a força com a pressão de 198 kgf/cm² é de 6171,66kgf superior a necessária.
- Qual a pressão hidráulica para obter os 5000 kgf de força solicitada?
Dividir a força de 5000kgf pela área do cilindro de 63 que é de 31,17cm² e temos uma pressão hidráulica de 160,41 kgf/cm² que dividida pela relação de multiplicação do booster de 33:1, determinamos que a pressão pneumática necessária é de 4,86 kgf/cm².
- Posição inicial. Todo o conjunto encontra-se pronto para início de operação.
- Pressão definida, como determinar os volumes de óleo necessários?
Para volume usamos a fórmula V = A x L, V = volume, A = área e L = curso
Curso de aproximação 100 mm = 10 cm, para aproximação é necessário o volume de 311,70 cm³ (ml)
- Aproximação rápida. O ar comprimido direcionado para o reservoil empurra o volume de óleo armazenado em seu interior, com velocidade pneumática, promovendo o deslocamento do cilindro e o deixando próximo da operação.
Curso de força 5 mm = 0,5 cm, para força é necessário o volume de 15,59 cm³ (ml)
- Operação. Mantido o cilindro na posição, direciona-se o ar comprimido para a câmara traseira do booster e este desloca o volume de óleo armazenado em seu interior, usando da relação de multiplicação de áreas, para o cilindro que atuará com alta pressão sobre o produto a receber a operação.
Na linha de Booster Hidropneumático Belton localizamos o booster com relação de 33:1 em: https://www.belton.com.br/booster-hidropneumatico-bhp33
- Retorno. O produto recebeu a operação devida. Promove-se a inversão no direcionamento do fluxo de ar comprimido, despressurizando a câmara traseira do booster, pressurizando-se a câmara dianteira e simultaneamente a câmara dianteira do cilindro.
Abaixo cópia da página do booster BHP33, com a identificação dos dígitos que formam o código do produto.
Na grade de codificação acima temos:
A série e a referência à relação de multiplicação;
Os dois próximos dígitos referem-se ao volume em alta pressão;
Para este exemplo o volume de alta, curso de força é somente de 15,59 ml. Para compensar perdas em partes flexíveis da tubulação, no caso específico das mangueiras de borracha, consideramos 5% de perda pela dilatação e aumento do comprimento quando submetida a pressão de alta, o que eleva o volume para 16,79 ml. Definimos então o menor volume de deslocamento do booster que é de 140 ml (D1).
Os dois próximos dígitos referem-se ao volume de aproximação;
Calculado um volume de aproximação de 311,70 (ml), o volume Q1 de 450 atende com sobra a necessidade.
O dígito final correspondente a montagem do reservoil é uma definição ligada diretamente a posição de instalação no projeto do equipamento.
Cilindro hidro pneumático em: https://www.belton.com.br/cilindro-hidropneumatico-serie-ah
Para o cilindro informar somente diâmetro e curso, respeitando o valor máximo informado para o curso e principalmente para os valores máximos de pressão correspondentes aos diâmetros dos mesmos.
IMPORTANTE: observar sempre as unidades de medida para não ocorrer em erros dimensionais.
Identificando as partes do booster
O booster é formado por três partes distintas que seguem identificadas a seguir:
- Parte pneumática
Nessa parte o movimento é exclusivamente realizado por ar comprimido. Pressão máxima de 6 kgf/cm², preferencialmente com ar comprimido filtrado e lubrificado.
- Parte do avanço rápido, Reservoil
No reservoil temos o deslocamento de óleo de aproximação rápida para o cilindro hidro pneumático, realizada por ar comprimido filtrado e lubrificado, podendo operar com pressão superior à máxima do booster com limite máximo de 10 kgf/cm².
- Parte de alta pressão
Opera exclusivamente com óleo, ISO VG 32 mineral, e em alta pressão. Óleos que não atendam a especificação podem causar danos às vedações com consequente comprometimento do funcionamento adequado do booster.
Para esclarecimentos complementares quanto ao posicionamento do booster e processos de sangria esses podem ser encontrados em:
e também em:
https://www.belton.com.bradmin/docs_upload/arquivos/01%20-%20Info%20Tecnica.pdf
Os catálogos para a linha de hidropneumáticos encontra-se em:
https://www.belton.com.br/sistemas-hidropneumaticos
08 de Dezembro de 2020
