Como funciona o cilindro hidráulico de escavadeiras e retroescavadeiras: dupla ação, pressões típicas e amortecimento

O cilindro hidráulico de escavadeira e de retroescavadeira transforma pressão de óleo em força em linha reta. Os cilindros de lança, braço e caçamba são de dupla ação: o óleo entra pelo lado do fundo para estender a haste e pelo lado da haste para recolher. A força é a pressão multiplicada pela área em que ela age, e por isso o cilindro empurra com mais força do que puxa. Escavadeiras de cerca de 20 toneladas trabalham com pressões de alívio entre 32 e 37 MPa, conforme o fabricante. Retroescavadeiras ficam bem abaixo, entre 22 e 25 MPa. No fim do curso, um sistema de amortecimento freia o pistão para que ele não bata no cabeçote ou no fundo.

As peças de um cilindro hidráulico

• Camisa (tubo): o corpo do cilindro, com o interior brunido onde o pistão desliza.
• Haste: a barra de aço cromado que sai do cilindro e liga o pistão ao implemento.
• Pistão: preso na ponta interna da haste, divide a camisa em duas câmaras.
• Cabeçote: a tampa por onde a haste sai. Guarda o raspador, o retentor, o buffer e o anel-guia da haste.
• Fundo e olhais: as pontas de fixação com buchas, presas à estrutura da máquina por pinos.
• Portas de óleo: uma em cada câmara, ligadas às mangueiras ou tubos que vêm do comando.
• Vedações: o conjunto que mantém o óleo dentro, a sujeira fora e as câmaras separadas. A função de cada peça está em componentes da vedação do cilindro.

Dupla ação: o óleo empurra para os dois lados

No cilindro de dupla ação, a bomba manda óleo para uma câmara enquanto a outra devolve óleo para o tanque. Para estender, o óleo entra pelo lado do fundo e age sobre a face inteira do pistão. Para recolher, o óleo entra pelo lado da haste e age só sobre a coroa do pistão, porque a haste ocupa o centro. Isso tem duas consequências:

• Força: com a mesma pressão, o cilindro empurra com mais força do que puxa, porque a área do lado do fundo é maior.
• Velocidade: com a mesma vazão, o cilindro recolhe mais rápido do que estende, porque o volume do lado da haste é menor.

Exemplo de cálculo com a Komatsu PC200-8M0

A Komatsu informa, para a PC200-8M0 (versão da série PC200-8), cilindros de lança com camisa de 120 mm e haste de 85 mm, e pressão de alívio de 37,3 MPa nos circuitos de implementos. Com esses números, a conta teórica fica assim:

• Área do lado do fundo: cerca de 113 cm². Força teórica estendendo: cerca de 422 kN por cilindro, ou perto de 43 toneladas-força.
• Área do lado da haste (coroa): cerca de 56 cm². Força teórica recolhendo: cerca de 210 kN por cilindro, perto de 21 toneladas-força.
• Relação entre as áreas: cerca de 2 para 1. Com a mesma vazão, a haste recolhe perto de duas vezes mais rápido do que estende.

São valores teóricos, na pressão máxima e sem perdas. Servem para mostrar a ordem de grandeza do esforço que as vedações seguram. Uma vedação de pistão que deixa passar óleo nessa pressão tira velocidade do cilindro e capacidade de segurar a carga parada.

Pressões de fábrica: escavadeiras e retroescavadeiras

A pressão de alívio é o limite máximo do circuito, regulado pela válvula de alívio. A pressão de trabalho real varia a cada momento com a carga e fica abaixo desse limite na maior parte do tempo. Os valores publicados pelos fabricantes:

Para comparar: 1 MPa equivale a 10 bar, a cerca de 10,2 kgf/cm² e a cerca de 145 psi. Quando as fontes divergem, como no caso da 580N, vale o manual de serviço da sua máquina, que traz o valor exato para o número de série.

Algumas escavadeiras têm ainda um modo de reforço, que sobe a pressão para levantar ou arrancar mais. A Komatsu informa que o modo de levantamento da PC200-8M0 aumenta a capacidade de elevação em 7% elevando a pressão hidráulica. Na mesma linha, a Volvo publica dois valores de alívio para os implementos da EC210B.

Picos acima da pressão de alívio

A válvula de alívio limita a pressão que a bomba entrega, mas não impede picos dentro do cilindro. Quando a caçamba bate em pedra ou o implemento recebe um tranco, a carga externa comprime o óleo preso na câmara e a pressão local pode passar do ajuste do sistema. Uma patente da Volvo CE sobre amortecimento de cilindros de escavadeira registra cerca de 431 kgf/cm² (por volta de 42 MPa) na câmara do lado da haste de um cilindro de braço, num ensaio em que o amortecimento atuava enquanto a caçamba empurrava rocha. Segundo o documento, uma pressão assim pode superar a resistência de projeto do cilindro e até deslocar vedações. É para esses picos que existem a vedação buffer na haste e os anéis de apoio.

Dimensões dos cilindros de uma escavadeira de 20 toneladas

Os três cilindros principais têm medidas diferentes, e cada um usa seu próprio kit de vedação. Dados publicados pelos fabricantes:

Repare que Komatsu e Caterpillar usam o mesmo diâmetro de camisa nos três cilindros. Isso não quer dizer que o kit é o mesmo. Diâmetro de haste, canais do cabeçote, perfil das vedações e projeto do pistão mudam de fabricante para fabricante.

Amortecimento de fim de curso

Sem amortecimento, o pistão chegaria ao fim do curso em velocidade plena e bateria no cabeçote ou no fundo. O tranco incomoda o operador, castiga a estrutura e solta peças, inclusive vedações. Por isso muitos cilindros de escavadeira e retroescavadeira têm amortecimento hidráulico. A Volvo lista amortecedores de cilindro como item de série da EC210B, e a JCB cita amortecimento na extremidade da lança da 3CX.

Como o amortecimento funciona

1. Perto do fim do curso, uma bucha ou ressalto de amortecimento, montado na haste ou no pistão, entra num furo justo do cabeçote ou do fundo.
2. Essa peça fecha a saída principal do óleo. O óleo que resta na câmara só consegue sair por uma folga pequena ou por um orifício calibrado.
3. A restrição cria contrapressão na câmara, que freia o pistão nos últimos centímetros.
4. Na partida no sentido contrário, o projeto precisa deixar o óleo entrar livre, para o cilindro não sair lento. Em cilindros industriais, isso é feito com uma válvula de retenção.

Em cilindros industriais, a restrição costuma ser regulada por uma válvula de agulha. Nos cilindros de escavadeira descritos pela Volvo CE, a restrição é a própria folga entre a bucha e o furo, e a patente mostra o equilíbrio que ela exige: folga muito apertada gera contrapressão alta demais, folga muito aberta deixa o pistão bater.

Sinais de amortecimento com problema

• Batida seca no fim do curso, que antes não existia.
• Implemento que desacelera de forma brusca demais e trava antes do fim.
• Vedação deslocada ou extrudada no cabeçote, dano que a patente da Volvo CE associa a picos de pressão no amortecimento.

Onde as vedações entram nesse funcionamento

Cada função do cilindro depende de uma vedação. A vedação do pistão mantém a diferença de pressão entre as duas câmaras: se ela passa óleo, o cilindro perde força e cede sozinho com carga. Esse vazamento interno não aparece por fora e é medido pelo teste de deriva. O retentor e o buffer seguram a pressão da câmara da haste contra o ambiente: se falham, o óleo escorre pela haste. As diferenças entre os dois casos estão em vazamento externo e interno.

A deriva também depende das válvulas. A Komatsu, por exemplo, equipa a PC200-8M0 com válvulas de segurança contra ruptura de mangueira na lança e no braço, que seguram a carga se uma linha se romper. Por isso, quando o cilindro cede, o diagnóstico precisa separar o que é vedação do pistão e o que é válvula ou comando.

Escavadeira e retroescavadeira: diferenças que afetam a vedação

• Pressão: a escavadeira de 20 toneladas trabalha com alívio acima de 32 MPa; a retroescavadeira, entre 22 e 25 MPa. Os perfis de vedação e os anéis de apoio são escolhidos para essas pressões.
• Bomba: a Case 580N usa bomba de engrenagens, com cerca de 108 L/min; a JCB 3CX, bomba de pistões de 165 L/min; a Komatsu PC200-8M0 informa vazão máxima de 439 L/min na bomba principal.
• Quantidade de cilindros: a retroescavadeira tem muito mais cilindros, espalhados entre carregadeira, retro, giro, estabilizadores, direção e, em algumas versões, extensão do braço e caçamba 4 em 1. Cada um tem seu kit.
• Carga lateral: nos dois tipos, os cilindros de braço e caçamba recebem esforço de lado durante a escavação. Quem segura esse esforço são os anéis-guia, não as vedações.

Para um exemplo de máquina específica, veja os cilindros da Komatsu PC200 e PC300.