Hidráulica & Pneumática

Cálculos de Sistemas Hidráulicos

rolled technical drawings and a calculator

Cálculos de Sistemas Hidráulicos

Aprenda os principais cálculos e fórmulas utilizadas na seleção dos componentes hidráulicos

Por Gustavo Marinho, CFPHS | 23 de Agosto de 2020

Durante o desenvolvimento do projeto de um equipamento hidráulico uma etapa muito importante é a “Seleção e Dimensionamento dos Componentes”. Embora existam muitas maneiras diferentes de se obter os mesmos resultados no que se diz respeito aos cálculos de dimensionamentos de componentes de circuito hidráulicos, este artigo tem por objetivo estressar e detalhar um pouco mais a fundo as formulas e cálculos mais comumente utilizados por engenheiros e projetistas de sistemas hidráulicos e pneumáticos. 

Na figura abaixo podemos ver uma imagem detalhando um fluxograma que entendo ser a sistemática de passo-a-passo mais praticada por especialistas em design.

Fluxograma de desenvolvimento de um projeto de um equipamento hidráulico.

Sumário

Embora as fórmulas de sistemas hidráulicos e pneumáticos sejam ferramentas úteis para especificar os componentes e recursos do sistema; outros fatores como eficiências mecânicas, dinâmica de fluidos e limitações de material também devem ser considerados.

Mesmo tendo tomado bastante cuidado para verificar se as conversões e cálculos deste artigo estão corretos, não tenho como objetivo aqui assumir nenhuma garantia, ou responsabilidade legal ou responsabilidade pela exatidão, integridade ou utilidade de qualquer das informações fornecidas neste artigo. Dito isto, vamos analisar alguns dos cálculos mais uteis para dimensionamento de componentes e sistemas.

Cálculos Hidráulicos de Bombas

Potência necessária para o correto funcionamento de uma bomba:

GPM (Gallons per Minute) x PSI (Pound Square Inch) x 0,0007 (este é um cálculo de ‘regra de geral’)

Exemplo: Quantos HPs (cavalo-vapor) são necessários para acionar uma bomba de 5 GPM a 1.500 PSI?

GPM = 5 PSI = 1500

 

GPM x PSI x 0,0007 = 5 x 1500 x 0,0007 = 5,25 (HP) cavalo-vapor 

Deslocamento da bomba necessário para o fluxo de saída em GPM:

231 x GPM ÷ RPM (Revolutions Per Minute)

Exemplo: Qual deslocamento é necessário de uma bomba para produzir 5 GPM a 1.500 RPM?

GPM = 5

RPM = 1500

231 x GPM ÷ RPM = 231 x 5 ÷ 1500 = 0,77 pol³ por revolução (ciclo)

 

Fluxo de saída da bomba (em galões por minuto):

RPM x deslocamento da bomba ÷ 231

Exemplo: Quanto óleo será produzido por uma bomba de 2,5 polegadas cúbicas operando a 1200 RPM?

RPM = 1200

Deslocamento da bomba = 2,5 pol³ (polegadas cúbicas) 

RPM x Deslocamento da bomba ÷ 231 = 1200 x 2,5 ÷ 231 = 12,99 GPM

Cálculos Hidráulicos de Cilindros

Área da extremidade da haste do cilindro em pol2 (polegadas quadradas):

Área da extremidade cega – área da haste

Exemplo: Qual é a área da extremidade da haste de um cilindro de 6 pol de diâmetro que possui uma haste de 3 pol de diâmetro?

NOTA: Para facilitação o símbolo  ” será utilizado como abreviação de polegadas.

Área da extremidade cega do cilindro = 28,26 pol2

Diâmetro da haste = 3 “

O raio é 1/2 do diâmetro da haste = 1,5 “

Raio2 = 1,5 “x 1,5” = 2,25 “

π x Raio 2 = 3,14 x 2,25 = 7,07 pol2

 

Área da extremidade cega – Área da haste = 28,26 – 7,07 = 21,19 pol2

Área da extremidade cega do cilindro (em polegadas quadradas):

PI x (raio do cilindro) 2

Exemplo: Qual é a área de um cilindro de 6 “de diâmetro?

Diâmetro = 6 “

O raio é 1/2 do diâmetro = 3 “

Raio2 = 3 “x 3” = 9 “

π x (raio do cilindro) 2 = 3,14 x (3) 2 = 3,14 x 9 = 28,26 pol2

 

Saída de vazão da extremidade cega do cilindro (GPM):

Área da extremidade cega ÷ Área da extremidade da haste x GPM entrada

Exemplo: Quantos GPM saem da extremidade cega de um cilindro de 6 “de diâmetro com uma haste de 3” de diâmetro quando temos 15 galões por minuto colocados na extremidade da haste?

Área da extremidade cega do cilindro = 28,26 pol2

Área da extremidade da haste do cilindro = 21,19 pol2

Entrada GPM = 15 GPM

Área da extremidade cega ÷ Área da extremidade da haste x GPM entrada = 28,26 ÷ 21,19 x 15 = 20 GPM

 

Força de saída do cilindro (em libras):

Pressão (em PSI) x Área do Cilindro

Exemplo 1: Qual é a força de “empurrar” de um cilindro de 6 “de diâmetro operando a 2.500 PSI?

Área da extremidade cega do cilindro = 28,26 pol2

Pressão = 2.500 psi

Pressão x área do cilindro = 2.500 X 28,26 = 70.650 libras

Exemplo 2: Qual é a força de tração de um cilindro de 6 “de diâmetro com uma haste de 3” operando a 2.500 PSI?

Área da extremidade da haste do cilindro = 21,19 pol2

Pressão = 2.500 psi

 

Pressão x área do cilindro = 2.500 x 21,19 = 52.975 libras

Velocidade do cilindro (em polegadas por segundo):

(231 x GPM) ÷ (60 x área líquida do cilindro)

Exemplo: Quão rápido um cilindro de 6 “de diâmetro com uma haste de 3” de diâmetro se estenderá com 15 GPM de entrada?

GPM = 6

Área líquida do cilindro= 28,26 pol2

(231 x GPM) ÷ (60 x Área líquida do cilindro) = (231 x 15) ÷ (60 x 28,26) = 2,04 polegadas por segundo (pol/s)

Quão rápido ele se retrairá?

Área do cilindro líquido = 21,19 pol2

(231 x GPM) ÷ (60 x Área líquida do cilindro) = (231 x 15) ÷ (60 x 21,19) = 2,73 polegadas por segundo

 

GPM de fluxo necessário para a velocidade do cilindro:

Área do cilindro x comprimento do curso em polegadas ÷ 231 x 60 ÷ Tempo em segundos para um ciclo

Exemplo 1: Quantos GPM são necessários para estender um cilindro de 6 “de diâmetro em 8 polegadas em 10 segundos?

Área do cilindro = 28,26 polegadas quadradas

Comprimento do curso = 8 polegadas

Tempo para 1 curso = 10 segundos

Área x Comprimento ÷ 231 x 60 ÷ Tempo = 28,26 x 8 ÷ 231 x 60 ÷ 10 = 5,88 GPM

Exemplo 2: Se o cilindro tiver uma haste de 3″ de diâmetro, quantos GPM são necessários para retrair 8 polegadas em 10 segundos?

Área do cilindro = 21,19 polegadas quadradas

Comprimento do curso = 8 polegadas

Tempo para 1 curso = 10 segundos

Área x Comprimento ÷ 231 x 60 ÷ Tempo = 21,19 x 8 ÷ 231 x 60 ÷ 10 = 4,40 GPM

 

Pressão de fluido em PSI necessária para elevar uma carga (em PSI):

Libras de força necessárias ÷ Área do cilindro

Exemplo 1: Que pressão é necessária para desenvolver 50.000 libras de força de “empurrar” de um cilindro de 6 “de diâmetro?

Libras da Força = 50.000 libras

Área da extremidade cega do cilindro = 28,26 pol2

Libras de força necessárias ÷ Área do cilindro = 50.000 ÷ 28,26 = 1.769,29 PSI

Exemplo 2: Qual pressão é necessária para desenvolver 50.000 libras de força de tração de um cilindro de 6 “de diâmetro que tem 3” de diâmetro da haste?

Libras da Força = 50.000 libras

Área da extremidade da haste do cilindro = 21,19 polegadas quadradas

Libras de força necessárias ÷ Área do cilindro = 50.000 ÷ 21,19 = 2.359,60 PSI

Cálculos Hidráulicos de Motores

GPM de fluxo necessário para a velocidade do motor do sistema:

Deslocamento do motor x RPM do motor ÷ 231

Exemplo: Quantos GPM são necessários para acionar um motor de 3,75 polegadas cúbicas a 1.500 rpm?

Deslocamento do motor = 3,75 polegadas cúbicas por revolução

RPM do motor = 1500

Deslocamento do motor x RPM do motor ÷ 231 = 3,75 x 1500 ÷ 231 = 24,35 GPM

 

Velocidade do motor do sistema com um GPM de entrada:

231 x GPM ÷ Deslocamento do motor de fluido

Exemplo: Quão rápido um motor de 0,75 polegada cúbica girará com entrada de 6 GPM?

GPM = 6

Deslocamento do motor = 0,75 polegadas cúbicas por revolução

231 x GPM ÷ Deslocamento do motor de fluido = 231 x 6 ÷ 0,75 = 1.848 RPM

Torque do motor com determinado valor de pressão e deslocamento:

PSI x Deslocamento do motor ÷ (2 x π)

Exemplo: Quanto torque um motor de 2,5 polegadas cúbicas desenvolve a 2.000 psi?

Pressão = 2.000 psi

Deslocamento do motor = 2,5 polegadas cúbicas por revolução

PSI x deslocamento do motor (2 x π) = 2.000 x 2,5 ÷ 6,28 = 796,19 polegadas libras

 

Torque do motor com um determinado valor de GPM, PSI e RPM:

GPM x PSI x 36,77 ÷ RPM

Exemplo: Quanto torque um motor desenvolve a 1.200 psi, 1.500 rpm, com entrada de 10 gpm?

GPM = 10

PSI = 1.500

RPM = 1200

 

GPM x PSI x 36,7 ÷ RPM = 10 x 1.500 x 36,7 ÷ 1200 = 458,75 polegadas libras por segundo

Torque do motor com um determinado valor de potência e RPM:

Potência x 63025 ÷ RPM

Exemplo: Quanto torque é desenvolvido por um motor a 12 cavalos e 1750 rpm?

Horsepower = 12

RPM = 1750

Potência x 63025 ÷ RPM = 12 x 63025 ÷ 1750 = 432,17 polegadas libra.

Cálculos de Fluidos e Tubulação

Velocidade do fluido através da tubulação:

0,3208 x GPM ÷ Área interna

Exemplo: Qual é a velocidade de 10 GPM passando por uma tubulação de 1/2″ de diâmetro?

GPM = 10

Área interna = 0,304 (veja a nota abaixo)

0,3208 x GPM ÷ Área interna = 0,3208 x 10 ÷ 0,304 = 10,55 pés por segundo (pés/s ou ft/s)

NOTA: O diâmetro externo do tubo permanece o mesmo, independentemente da espessura do tubo. Um tubo para sistemas de ata pressão tem uma parede mais espessa do que um tubo de sistema padrão, então o diâmetro interno do tubo de um sistema de alta pressão é menor do que o diâmetro interno de um tubo de sistema padrão. A espessura da parede e o diâmetro interno dos tubos podem ser encontrados em gráficos prontamente disponíveis.

Tubos de aço para sistemas hidráulicos também mantém o mesmo diâmetro externo, independentemente da espessura da parede.

Os tamanhos das mangueiras indicam o diâmetro interno das mesmas. Uma mangueira de 1/2 “de diâmetro tem um diâmetro interno de 0,50 polegadas, independentemente da classificação de pressão da mangueira.

Tamanhos de tubulação sugeridos:

– As linhas de sucção da bomba devem ser dimensionadas de forma que a velocidade do fluido fique entre 2 e 4 pés por segundo.

– As linhas de retorno de óleo devem ser dimensionadas de forma que a velocidade do fluido fique entre 10 e 15 pés por segundo.

– As linhas de suprimento de pressão média devem ser dimensionadas de forma que a velocidade do fluido fique entre 15 e 20 pés por segundo.

– As linhas de suprimento de alta pressão devem ser dimensionadas de forma que a velocidade do fluido seja inferior a 30 pés por segundo.

 

 Um gráfico muito útil para a analise de dimensionamento de tubulações de sistemas hidráulicos é o Nomograma (ou Nomograph) que pode ser visto abaixo:

Referências:

Hydraulic Specialist Study Manual (IFPS)
https://hidraulicaepneumatica.com/engineering-toolbox/

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Este post tem 2 comentários

  1. Antenor

    Espetacular! Excelente trabalho.

  2. Roberto tavares da silva

    muito bom material,muito proveitoso expricação muito boa,Parabém

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