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Por Beth Figliulo, publicado em “Hidráulica e Pneumática”, dezembro de 2018
Tradução livre
A compreensão da função de um selo não é difícil – ele mantém fluidos e contaminantes fora. Entender como fazer isso da maneira mais eficaz em uma situação específica é um assunto completamente diferente.
A vedação bem-sucedida de cilindros de energia hidráulica requer um equilíbrio delicado de fatores inter-relacionados que afetam o processo de vedação em um sistema dinâmico.
Esses fatores incluem lubrificação e superfícies de acoplamento; fatores de design, como forma, material e processo; e fatores ambientais, como pressão, temperatura, tempo, dinâmica e montagem.
Entender o papel da lubrificação é a primeira chave para o sucesso da vedação em sistemas dinâmicos. Um sistema totalmente lubrificado sofrerá algum vazamento, geralmente na forma de uma película de fluido, mas a fricção diminuirá, levando a uma diminuição correspondente no desgaste da vedação. Não é de surpreender que o oposto seja verdadeiro: em um sistema esparsamente lubrificado, o filme fluido diminui, mas o atrito – e, portanto, o desgaste – aumenta.
Além disso, a vedação tende a melhorar à medida que as pressões de fluido aumentam. Como a pressão do sistema na superfície da vedação comprime a vedação axialmente, a vedação é forçada mais firmemente na sobreposta, melhorando a conformabilidade da vedação com as superfícies de metal ao redor dela. Se a vedação estiver corretamente projetada, à medida que a pressão do sistema aumenta, a força de vedação e a eficácia também aumentam.
A capacidade de um selo resistir à extrusão é um terceiro fator chave. Vedações em sistemas dinâmicos devem resistir às forças de cisalhamento resultantes do diferencial entre os lados pressurizado e não pressurizado da vedação. As forças de cisalhamento tendem a empurrar o selo para dentro do espaço entre as superfícies de metal adjacentes (conhecido como folga GAP), e o material de vedação e o perfil devem ser suficientemente fortes e rígidos para resistir a danos ou a serem destruídos.
Vedação de Haste
O desempenho sem vazamentos e a alta vida útil não podem ser garantidos por um único elemento de vedação em aplicações pesadas. Como a haste do cilindro está diretamente exposta ao meio ambiente, é essencial que as vedações mantenham o fluido no sistema. O vazamento externo é facilmente percebido. Não surpreendentemente, então, tornou-se uma crítica comum à transmissão de energia hidráulica.
A solução é sistemas redundantes que envolvem selos especialmente desenvolvidos dispostos em uma série, muitas vezes referida como em tandem. Cada elemento de vedação em tais sistemas tem uma função específica e sua interação é crítica para um sistema de alto funcionamento.
Esta ilustração mostra uma variedade de vedações da haste para fazer um sistema de vedação eficaz. À esquerda e ao centro estão anéis de desgaste em tandem, na extremidade direita está uma vedação de raspador de dupla ação energizada por borracha, e os outros dois são vedantes de haste energizada por O-Ring de ação simples.
Duas configurações principais são recomendadas para sistemas de vedação em tandem.
O primeiro é um vedante de deslizamento de politetrafluoroetileno (PTFE) unidirecional ventilado com vedação de PTFE unidirecional ou de poliuretano como vedação secundária. Esta configuração tem a vantagem de limitar a formação de microfluidos sob a vedação e assegurar que quando a haste é retraída, a face de vedação suporta o bombeamento traseiro hidrodinâmico da película de fluido. Isso resulta em vedação sem vazamentos com baixo atrito para menor desgaste. Adicionalmente, os materiais de vedação secundários descritos acima proporcionam capacidade de deslizamento superior com máxima resistência ao desgaste.
A segunda configuração é um selo intermediário, que possui um anel de apoio integrado e um copo em U de poliuretano como selo secundário. Esse arranjo geralmente é mais econômico do que a primeira opção e pode ser suficiente para sistemas que exigem alta resistência à abrasão ou onde a pressão irá continuamente flutuar entre alta e baixa pressão. Uma versão modificada do selo intermediário também pode ser usada para fornecer lubrificação para o copo em U, de modo que ele não fique seco.
Raspadores de haste
A contaminação do fluido hidráulico é a mais causa comum de danos a vedações, anéis e outros componentes. Os raspadores energizados com O-ring e os raspadores de poliuretano de dois lábios são recomendados para sistemas de vedação dinâmica, com a escolha dependendo do tipo de contaminantes esperados e dos requisitos de fricção e aderência do sistema como um todo.
Os raspadores energizados com O-ring são compostos de PTFE ou outro material termoplástico e são instalados com um O-ring elástico em uma ranhura. O O-ring mantém a pressão dos raspadores contra a superfície de deslizamento, que compensa desvios na haste do pistão e permite a raspagem efetiva de contaminantes – até mesmo a sujeira aderida com firmeza.
Os raspadores de poliuretano de dois lábios são superiores aos raspadores elastoméricos convencionais, com um lábio raspador projetado para remover efetivamente a sujeira, deixando o filme de óleo necessário para a operação correta. O lábio de vedação está voltado para dentro para assumir uma função de vedação sob baixa pressão, e a vedação estática é obtida por um encaixe radial apertado entre o corpo da raspadeira e a ranhura.
Vedação de pistão
A escolha de uma vedação de pistão deve ser baseada na resistência à extrusão de desgaste e lacuna, compatibilidade com o fluido hidráulico, temperaturas operacionais, capacidade de deslizamento e facilidade de instalação. A superfície de acoplamento também é uma consideração importante – os limites especificados devem ser observados, pois podem afetar significativamente a vida útil do selo do pistão.
Recomenda-se três tipos de vedantes deslizantes bidirecionais para sistemas de pistão dinâmico: um vedante de PTFE ou poliuretano com um perfil de tampa otimizado baseado no material ou um vedante com uma capa de PTFE que contenha um elemento de elastômero integrado. A escolha depende da mídia a ser selada e do desempenho de fricção desejado do sistema.
• As vedações de lábio de PTFE são ideais para aplicações que exigem baixo atrito e não têm deslizamento ou onde estão presentes folgas de folga maiores.
• As vedações de lábio de PTFE com um elemento de elastômero integrado são ideais para situações em que a separação de fluido ou o controle de vazamento preciso são necessários.
• As vedações de poliuretano oferecem alta resistência à abrasão e são adequadas para situações em que a passagem pode ser uma preocupação.
Vedação de deslizador de PTFE mostrada em uma configuração unidirecional ventilada.
Quando a redundância contra vazamentos é necessária, selos deslizantes unidirecionais ou U-copos de poliuretano podem ser adicionados em um ou ambos os lados (dependendo da direção de pressão e / ou flutuação) da vedação bidirecional para evitar vazamentos e garantir a separação da mídia.
Anéis de desgaste
Os anéis de desgaste absorvem forças de carga lateral que ocorrem no pistão ou na haste do pistão de um cilindro e eliminam o contato metal-metal entre as partes deslizantes do cilindro. Os anéis de desgaste não metálicos oferecem benefícios significativos em relação aos anéis de metal tradicionais. Os anéis de desgaste não metálicos têm maior vida útil, maior capacidade de carga, menor atrito e bons efeitos de raspagem. Eles também amortecem as vibrações mecânicas para reduzir o ruído e são rentáveis.
Em termos de material, os anéis de desgaste baseados em PTFE são recomendados para aplicações de baixa a média tarefa com forças radiais limitadas. A baixa fricção dos anéis de PTFE proporciona uma operação suave em baixas velocidades sem movimento de deslizamento. Esses anéis devem ser selecionados para alta resistência ao desgaste e boa capacidade de amortecimento.
Anéis compostos de nylon preenchido com vidro são recomendados para aplicações com forças radiais médias a pesadas. Procure anéis que ofereçam alta resistência à compressão em altas temperaturas e fácil instalação em pistões e glândulas (tampas / cabeça).
Glândulas
Anéis de desgaste compostos reforçados com tecido são a melhor escolha para aplicações pesadas com altas forças radiais. Esses anéis devem distribuir uniformemente as altas forças radiais e exibir boas propriedades de deslizamento e funcionamento a seco, bom efeito de raspagem e alta resistência ao desgaste.
Cilindros de alta pressão
Vedações com cantos reforçados são uma excelente opção para aplicações de alta pressão (até 15.000 psi), pois são altamente resistentes à extrusão. Esses selos contêm um anel integrado feito com um toque de poliéster (PEEK) ou poliacetal e podem aceitar intervalos de extrusão 50% a 100% maiores em comparação àqueles sem reforço de canto.
Vedações com cantos reforçados funcionam bem em aplicações de alta pressão
Selos de PTFE e poliuretano estão disponíveis com reforços de canto para configurações de haste e pistão. Alguns são projetados para uso unidirecional, enquanto outros fornecem vedação bidirecional. Em vedações unidirecionais, procure versões projetadas para estabilizar a vedação contra a contrapressão, evitando que a vedação tombe para a frente na ranhura.
Acabamento da superfície de Acasalamento e revestimento
Muitos engenheiros de projeto estão cientes da importância do acabamento da superfície de acasalamento na funcionalidade da vedação. O acabamento da superfície de acasalamento pode causar um grande impacto:
• Fricção e calor – Quanto mais áspera a superfície, maior a quantidade de atrito e calor gerado.
• Desgaste – superfícies mais ásperas levam a mais desgaste, assim como superfícies duras.
• Capacidade de vedação – Quanto mais áspera a superfície, menos eficaz é a capacidade de vedação.
• Custo de custo a longo prazo – As falhas e reparos de campo são caros, portanto, as vedações de alto desempenho e longo prazo acabam por economizar dinheiro.
A rugosidade média não fornece detalhes suficientes para definir adequadamente o acabamento da superfície. Em vez disso, uma combinação de medições de superfície deve ser considerada.
O perfil de vedação ideal inclui vales microscópicos e evita uma alta concentração de picos. Os vales são necessários para construir um filme fluido suficiente para reduzir o atrito e o desgaste; uma alta concentração de picos pode causar desgaste excessivo da vedação.
Entretanto, simplesmente saber o valor médio da rugosidade (R) do acabamento da superfície não é suficiente – superfícies completamente diferentes podem ter o mesmo valor de R. Além da média de rugosidade, considere a altura máxima do pico do perfil, a profundidade média da rugosidade, a relação do rolamento do perfil, o grau de inclinação e a altura total do perfil de rugosidade.
As vedações tipo deslizante funcionam bem em superfícies não planas em velocidades e pressões moderadas, mas superfícies mais duras são recomendadas em aplicações de movimento alternado de alta velocidade e alta pressão. Quanto mais macio o metal, maior a probabilidade de o selo polir sua superfície de acoplamento durante um período de amaciamento (o prazo inicial de alto desgaste e atrito). Por outro lado, superfícies mais duras podem acelerar o desgaste da vedação. Portanto, otimize o perfil da vedação para que uma película de fluido adequada seja mantida. Além disso, materiais de vedação com cargas mais robustas, como bronze ou PEEK, podem ser usados para ajudar a suportar superfícies mais duras durante o período de amaciamento.
Os picos na superfície contrária são quebrados durante o período inicial de arranque ou de amaciamento.
Uma vez que os picos na superfície de acoplamento sejam quebrados e o equipamento e a vedação alcancem um estado de equilíbrio, o período de rodagem termina. O atrito do selo e o desgaste diminuem após o período de amaciamento, portanto, reduza esse período tanto quanto possível, controlando com precisão o perfil da superfície, especialmente em superfícies de contato mais duras. Isso garantirá que o sistema funcione da maneira mais eficiente possível desde o início e ajudará a aumentar a vida útil total da vedação.
Tendências futuras
Uma tendência importante a observar é o afastamento do revestimento cromado de peças usadas em sistemas hidráulicos. O cromo ainda é o revestimento mais utilizado na indústria, mas o cromo hexavalente foi identificado como carcinógeno, e o processo para fazer cromagem produz resíduos tóxicos.
À medida que novas restrições sobre as substâncias químicas usadas para cromagem e os resíduos que estão sendo criados são introduzidas, as opções de galvanoplastia que são mais ecologicamente corretas provavelmente ganharão popularidade.
Do ponto de vista da vedação, será essencial entender como os materiais comumente usados interagem com os novos tipos de placas. Os fabricantes de vedantes precisarão avaliar como o atrito, o desgaste e a capacidade de vedação geral são afetados pelas diferentes opções de revestimento e ou fazer modificações nos vedantes existentes ou desenvolver novos materiais para garantir alto desempenho e longo desgaste nos sistemas mais novos.
Vedações em Cilindros Pneumáticos
Os cilindros pneumáticos normalmente operam com pressões significativamente mais baixas do que os cilindros hidráulicos. Além disso, os cilindros e as válvulas pneumáticas geralmente operam em altas velocidades e altas taxas de ciclagem, pois podem escoar o ar direto para a atmosfera ao mudar de direção, em vez de direcionar o óleo hidráulico através de uma linha de retorno.
Embora muitos sistemas pneumáticos mais antigos usem ar lubrificado, a maioria dos novos sistemas usa ar seco e não lubrificado. A lubrificação mínima presente nesses sistemas pode apresentar um desafio de vedação. Uma aplicação inicial de graxa pode ajudar no movimento inicial e, se o selo for capaz de manter esse filme de lubrificação, a graxa inicial usada poderá estender a vida útil da vedação sem a necessidade de lubrificante adicional. É importante ressaltar que o ar contaminado irá comprometer lentamente o lubrificante, reduzindo a vida útil da vedação.
Em relação ao atrito, é aconselhável fornecer uma força extra calculada ao cilindro para compensar a fricção interna de vedações e rolamentos ou até mesmo perdas de pressão de filtros obstruídos ou restrições de componentes no circuito. Também pode haver perdas de pressão devido a vazamentos ao longo do tempo. Para evitar tais desafios, os perfis de vedação semelhantes aos usados nos cilindros hidráulicos (copos em U e vedações do deslizador) devem ser otimizados para menor atrito, preservando o filme de lubrificação e minimizando a possibilidade de vazamento.
O poliuretano é um material comumente usado devido à sua resistência à abrasão e ao desgaste, ambos críticos em um ambiente sem óleo. Em situações em que o baixo atrito e o deslizamento não são necessários, o PTFE e outros termoplásticos podem ser usados.
Para abordar os picos de alta pressão, o amortecimento do cilindro ocorre em cilindros de duplo acionamento, onde um atuador desdobra-se para reduzir a velocidade do pistão no final do golpe ou o impacto da tampa final. Existem determinados vedantes otimizados para amortecimento pneumático em situações em que picos de alta pressão podem ocorrer. As vedações são projetadas com uma válvula de retenção integrada para garantir a aplicação da pressão na superfície total do pistão, uma vez que a direção da pressão muda. Isso diminui o impacto de tensões no hardware interno, prolongando a vida operacional do cilindro e reduzindo possíveis problemas de manutenção.
Anéis de desgaste em materiais de polioximetileno modificado (POM) são frequentemente usados devido à sua capacidade de operar em condições secas. Eles também têm alta resistência à compressão e boa resistência à abrasão. O anel de desgaste tem uma função dupla de guiar o pistão ou a haste em um cilindro e absorver as forças transversais dentro dele.
Os cilindros pneumáticos normalmente têm requisitos de acabamento superficial mais altos, devido à capacidade do gás de permear possíveis imperfeições.
Em qualquer um dos cenários discutidos, o perfil da vedação deve ser cuidadosamente avaliado para a seleção adequada. Os principais fatores que afetam a seleção da vedação incluem temperatura, resistência ao desgaste, abrasão, pressão vedada, materiais de vedação e seus atributos associados, compatibilidade, vibração e vida útil esperada.
Beth Figliulo é gerente do segmento de energia hidráulica da Trelleborg Sealing Solutions.
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