Compreender os acumuladores: Tipos, funções e estruturas

I. Princípio de funcionamento do acumulador

Nos sistemas hidráulicos, um acumulador é um dispositivo que utiliza o princípio do equilíbrio de forças para alterar o volume do óleo de trabalho, armazenando e libertando assim a energia hidráulica.

Como se mostra na Figura 1, o acumulador é composto basicamente por quatro partes: o invólucro, o pistão, o gás nitrogénio de alta pureza (ou possivelmente uma mola) acima do pistão e o óleo de trabalho ligado ao sistema abaixo do pistão. O processo de funcionamento pode ser dividido em duas fases: armazenamento e libertação de energia.

1-Casca
2 pistões
3-Gás nitrogénio de alta pureza (ou eventualmente uma mola)
4 - Óleo de trabalho

1. Fase de armazenamento de energia

Como se mostra na Figura 1a, o acumulador está num estado de pré-armazenamento de energia, em que o óleo de trabalho e o gás de azoto de alta pureza (ou a força da mola) acima e abaixo do pistão estão num estado equilibrado. O gás nitrogénio de alta pureza está num estado pré-carregado (ou a mola está num estado pré-comprimido), e o volume do óleo de trabalho é V₁.

Quando a pressão do sistema aumenta, a pressão do óleo de trabalho também aumenta, empurrando o pistão para cima, e o óleo de trabalho no sistema entra no acumulador (o volume aumenta para V₂) até se atingir um estado de equilíbrio, como mostra a Figura 1b.

Neste momento, o volume de óleo de trabalho (V₂- V₁) entra no acumulador para ser armazenado. Esta fase é designada por fase de armazenamento de energia. Durante esta fase, o acumulador armazena uma determinada pressão e volume (V₂- V₁) de óleo de serviço.

2. Fase de libertação

Quando o sistema hidráulico Quando o pistão do acumulador de óleo de trabalho é aberto ou fechado, a pressão do sistema é inferior à pressão do óleo de trabalho no acumulador. Sob a pressão do gás (ou da força da mola), o pistão é empurrado para baixo e o óleo de serviço é descarregado no sistema até se atingir um estado de equilíbrio, como se mostra na Figura 1c. Esta fase é designada por fase de libertação. Durante esta fase, parte do óleo de trabalho armazenado na fase de armazenamento de energia é descarregado no sistema.

Do que precede, pode ver-se que, enquanto houver uma alteração na pressão do sistema, a pressão do óleo de trabalho no acumulador altera-se em conformidade. De acordo com o princípio do equilíbrio de forças, o pistão move-se e o volume do óleo de trabalho altera-se em conformidade. Este armazenamento e libertação repetidos de energia cumprem o objetivo do acumulador.

II. Classificação dos acumuladores

Em sistemas hidráulicosOs acumuladores são geralmente divididos em tipos carregados a gás e tipos carregados por mola, com base na substância que actua sobre o óleo de trabalho. Cada tipo de acumulador tem formas diferentes com base na sua estrutura. As classificações específicas são as seguintes:

III. Estrutura dos acumuladores típicos

1. Acumulador de gás

O princípio de funcionamento do acumulador carregado a gás consiste em utilizar gás nitrogénio de alta pureza pré-carregado no acumulador para equilibrar a pressão do óleo carregado no acumulador pela bomba hidráulica. Quando o sistema necessita de óleo, o óleo é descarregado sob a pressão do gás. Os acumuladores carregados a gás dividem-se em tipos isolados e de contacto direto.

Acumulador isolado: Um acumulador isolado refere-se a um acumulador em que existe um separador entre o gás e o líquido no interior do acumulador, impedindo que o gás se misture facilmente com o líquido. Este tipo de acumulador utiliza efetivamente a compressibilidade do gás e é, por isso, muito utilizado. Com base na forma do separador, divide-se ainda em acumuladores flexíveis e não flexíveis.

Os acumuladores flexíveis, como os acumuladores de bexiga, são utilizados em sistemas hidráulicos, enquanto os acumuladores não flexíveis, como os acumuladores de pistão e os acumuladores de pistão diferencial, são mais frequentemente utilizados em sistemas hidráulicos.

(1) Acumulador de bexiga

O princípio de funcionamento do acumulador de bexiga baseia-se na lei de Boyle, e a sua estrutura típica é mostrada na Figura 2.

1-Válvula de insuflação
2-Casca
3-Badder
4-Válvula de cogumelos
Conjunto do corpo de 5 válvulas
6-Abraçadeira de meia-volta
7-Porca
Junta 8
Anel 9-O
10-Porca de aperto

Antes da utilização, encher primeiro a bexiga 3 do acumulador com azoto a uma pressão pré-determinada e, em seguida, utilizar uma bomba hidráulica para encher o acumulador com óleo. Sob a ação da pressão do óleo, a válvula em forma de cogumelo 4 é aberta e o óleo entra no recipiente, comprimindo a bexiga. Quando a pressão na câmara de gás e na câmara de óleo é igual, a bexiga está num estado equilibrado e a pressão no acumulador é a pressão da bomba. Quando o sistema necessita de óleo, a bexiga expande-se sob a ação da pressão do gás, espremendo gradualmente o óleo.

As vantagens deste tipo de acumulador são as seguintes: a câmara de gás e a câmara de óleo estão separadas por uma bexiga, assegurando uma vedação fiável sem fugas entre as duas; a bexiga tem baixa inércia, é reactiva, tem uma estrutura compacta, é pequena em tamanho, leve em peso, fácil de manter e é frequentemente utilizada em sistemas hidráulicos com acumuladores de bexiga de pequeno volume para absorver pulsações de pressão ou como amortecedores. Também é utilizado em situações de baixa potência e pressão de funcionamento para armazenar energia em sistemas hidráulicos.

A estrutura típica de um acumulador de bexiga é mostrada na Figura 2a. É constituído por uma válvula de enchimento 1, um invólucro 2, uma bexiga 3 e uma válvula em forma de cogumelo 4. O invólucro 2 é um recipiente sob pressão com uma abertura no topo para acomodar a válvula de insuflação 1. A bexiga 3, totalmente fechada, feita de borracha sintética, é pressionada contra a haste da válvula, formando um espaço selado.

Depois de a bexiga ser inserida através da abertura na extremidade inferior do invólucro, é fixada à parte superior do invólucro com uma porca de aperto 10. O conjunto do corpo da válvula 5 é fixado por um par de braçadeiras semicirculares 6 instaladas no interior da abertura do invólucro, fixando o ombro do corpo da válvula 5. É instalado na parte inferior do invólucro e, com o O-ring 9 e a junta 8, é apertado com uma porca 7.

A função da válvula em forma de cogumelo 4 no conjunto do corpo da válvula 5 é impedir que a bexiga se expanda para fora do reservatório quando todo o óleo é descarregado. Este tipo de acumulador tem um O-ring na abertura do invólucro. Quando a pressão interna do invólucro aumenta para a pressão de rutura, a abertura do invólucro expande-se primeiro, fazendo com que o O-ring seja espremido para fora, libertando com segurança a pressão do óleo.

O texto acima descreve o acumulador de bexiga com estrutura de tipo A. Este tipo de acumulador é inconveniente para a substituição da bexiga. Por conseguinte, a parte superior do invólucro e da bexiga é concebida com uma estrutura "open-top", como mostra a figura 2b, designada por acumulador de bexiga de tipo B.

(2) Acumulador de pistão

O acumulador de pistão utiliza um pistão para separar o óleo e o azoto, como se mostra na Figura 3. As vantagens deste tipo de acumulador são: estrutura simples e longa vida útil. No entanto, o pistão tem uma elevada inércia e resistência ao atrito de vedação, o que resulta numa fraca capacidade de resposta; requer uma elevada precisão de maquinagem e é difícil de vedar, o que o torna inadequado para absorver pulsações e choques hidráulicos.

1 pistão
2 cilindros
3- Cilindro de insuflação

Nos sistemas hidráulicos, esta estrutura é normalmente utilizada para o armazenamento de energia. A figura 4 mostra o acumulador de pistão habitualmente utilizado para armazenamento de energia em sistemas hidráulicos.

2. Acumulador de molas

Este tipo de acumulador utiliza a força de uma mola que actua sobre o pistão para equilibrar a pressão do óleo, armazenando energia de pressão. A pressão gerada pelo acumulador depende da rigidez e da compressão da mola.

Os tipos mais comuns são as molas de compressão helicoidal e as molas de disco. O acumulador de mola de compressão helicoidal é apresentado na Figura 5. Este tipo de acumulador tem uma estrutura simples e é relativamente reativo, dependendo a sua vida útil do tempo de vida da mola.

1-Casca
2-primavera
3 pistões
4-Câmara de óleo
5-Capa

É utilizado para armazenamento de energia e amortecimento em sistemas de pequena capacidade, baixa pressão e baixa frequência de ciclo, e geralmente não é utilizado em sistemas hidráulicos. Nos sistemas hidráulicos, são normalmente utilizados acumuladores de mola de disco, como se mostra na figura 6.

1-Pistão de armazenamento de energia
Orifício de 2 posições
3-Anel de suporte
4-Habitação
5-Mola de disco de apoio
Conjunto de molas de 6 discos

3. Função do Acumulador

O acumulador é um dispositivo utilizado para armazenar a energia de pressão do fluido hidráulico, que pode libertar essa energia para realizar trabalho útil quando necessário. As suas principais funções num sistema hidráulico são as seguintes

(1) Armazenar energia hidráulica

A principal utilização do acumulador nos mecanismos hidráulicos. Quando o caudal necessário varia muito em diferentes fases do ciclo de trabalho de um sistema hidráulico, é frequentemente utilizado um acumulador em conjunto com uma bomba mais pequena para formar a fonte de óleo. Se o sistema necessitar de um caudal pequeno, o acumulador armazena o excesso de caudal da bomba hidráulica; se o sistema necessitar de um caudal grande durante um curto período, o acumulador liberta o fluido hidráulico armazenado para fornecer óleo ao sistema juntamente com a bomba hidráulica.

Além disso, quando a bomba hidráulica deixa de fornecer óleo ao sistema, o acumulador fornece o óleo sob pressão armazenado ao sistema para compensar a fuga do sistema ou manter a pressão constante do sistema. Também pode ser utilizado como uma fonte de energia de emergência em caso de falha da bomba hidráulica.

(2) Absorver os choques de pressão e as pulsações

A utilização secundária do acumulador nos mecanismos hidráulicos. Num sistema hidráulico, o acumulador é utilizado para absorver as pressões de choque geradas por alterações súbitas da velocidade do fluxo de fluido (como quando uma válvula direcional se desloca subitamente ou quando a carga de um cilindro hidráulico pára subitamente de se mover), reduzindo assim o valor de pico dos choques de pressão.

A pulsação do caudal da bomba hidráulica pode causar uma velocidade de movimento de carga irregular e pulsações de pressão. Por conseguinte, os sistemas que requerem uma velocidade de carga relativamente uniforme devem instalar um acumulador correspondente à saída da bomba para melhorar a estabilidade do funcionamento do sistema.