Tipos de Diafragmas. Suas características, cálculo da sua resistência, processos de fabrico e suas aplicações

Existem vários tipos de diafragmas de borracha. Contudo, vamos descrever com maior detalhe apenas os quatro tipos principais:

Existem ainda variantes destes tipos básicos:

Vamos analisar, com maior detalhe, estes quatro tipos fundamentais de diafragmas e descrever também as suas principais aplicações. Quando da descrição dos materiais utilizados no fabrico de diafragmas analisaremos, também com um pouco de detalhe, os materiais de reforço têxteis, metálicos e vidro.

 

Diafragma Plano (Flat Diaphragm)

Os diafragmas de borracha do tipo plano, também designados por membranas (Figura 5), como o nome indica, possuem uma forma plana e permitem que a pressão se exerça em ambos os lados. A área efectiva onde se exerce a pressão é também igual nos dois lados do diafragma.

Figura 5 – Diafragma do tipo plano

 

Os diafragmas do tipo plano só permitem obter cursos (ou deflexões) relativamente pequenos. Este curso ou deflexão é a deslocação máxima que o diafragma pode estar sujeito sob o efeito da pressão aplicada, sem que sejam atingidos os seus limites elásticos ou de resistência mecânica.

O valor da deflexão máxima do diafragma depende, obviamente, das características dos materiais com que são produzidos, da sua espessura e da função que o diafragma vai desempenhar (por exemplo, uma função de regulação ou uma função em unidades de bombagem). Este valor pode ser obtido por cálculo e técnicas de análise de elementos finitos (FEA), embora sempre confirmadas por estudos experimentais. Factores de segurança devem ser também utilizados, de forma a garantir uma correcta funcionalidade e uma boa durabilidade do diafragma.

O valor de deflexão máxima é geralmente expresso em percentagem do diâmetro interior do cilindro (D_int.cil.), sendo da ordem de (0,1. D_int.cil.), para aplicações em bombas e de (0,6. D_int.cil.) para aplicações em sistemas de regulação de pressão e sistemas actuadores.

Na Figura 6 são mostradas as principais características dimensionais dos diafragmas planos e, esquematicamente, aspectos da sua instalação e da sua deformação.

Figura 6 – Diafragma do tipo plano. Dimensões, instalação e deformação (esquemático)

 

Diafragmas do tipo plano: Principais aplicações

Os diafragmas do tipo plano são utilizados em:

 

Diafragmas do tipo plano: Cálculo da sua resistência

Vamos admitir que num determinado sistema se encontra instalado um diafragma do tipo plano (flat diaphragm) (Figura 6).

Vamos admitir ainda que no sistema se exercem as pressões P₁ no lado A do sistema, e P₂ no lado B do sistema. Como se verifica na Figura 6, o diafragma sofrerá uma deformação, sendo deslocado para o lado do sistema que se encontra sujeito a uma menor pressão. A deflexão sofrida será tanto maior quanto maior for a diferença entre as pressões P₁ e P₂.

 Seja D_c o diâmetro interior do cilindro do sistema (expresso em cm). Seja ainda ΔP (expresso em kgf/cm²) a diferença de pressão entre os dois lados do sistema. A força exercida F (expressa em kgf), correspondente a essa diferença de pressões, tem o valor dado pela expressão (1):

Esta força é exercida e distribuída em todo o perímetro exterior do diafragma, onde o diafragma é fixado. O valor da força exercida por unidade de perímetro F_d (expressa em kgf/cm) é dado pela expressão (2):

O material que constitui o diafragma, seja este constituído apenas por borracha, ou por borracha com reforço de tela, terá de possuir uma resistência superior a este valor. Este  valor deve ser afectado, naturalmente, de um factor de segurança, cujo valor será função do valor das pressões em causa e de condições particulares do sistema, incluindo, nomeadamente, aspectos relacionados com condições de segurança. Com carácter indicativo, é recomendado que nos sistemas em que estejam em causa pressões superiores a 0,5 MPa (5 kg/cm²), deve ser utilizado um reforço têxtil.

 

Diafragmas do tipo plano: Processos de fabrico e Materiais

Os diafragmas do tipo plano podem ser obtidos, como já foi referido, por processos de moldagem, mas podem também ser obtidos a partir de folhas de borracha, sem ou com um material de reforço (Figura 7), ou ainda a partir de telas têxteis, revestidas com borracha, num ou nos dois lados (Coated fabrics), (Figuras 8 e 9).

Figura 7 – Folha de borracha com reforço têxtil (esquemático)

 

Figura 8 – Tela revestida com borracha, numa das faces (Single coated fabric) (esquemático)

 

Figura 9  – Tela revestida com borracha, nas duas faces (Double coated fabric) (Esquemático)

 

Diafragma Côncavo ou tipo Prato (Dish or Plate Diaphragm)

Os diafragmas de borracha Côncavo ou Tipo Prato (Figura 10), como o nome indica, possuem uma forma de um prato e permitem também  que a pressão se exerça em ambos os lados. A área efectiva onde se exerce a pressão é também igual nos dois lados. O diafragma possui uma parede lateral com uma inclinação que corresponde, nos seus pontos extremos, ao diâmetro interior do cilindro e ao diâmetro do pistão.

Figura 10 – Diafragma côncavo ou do tipo prato

 

Este tipo de diafragmas é normalmente construído com material de reforço (normalmente têxtil), de forma a possibilitar uma deflexão de maior amplitude e melhor suportar a pressão a que for submetido.

O valor máximo permitido para a deflexão pode ser obtido por cálculo e técnicas de análise de elementos finitos (FEA), embora sempre confirmadas por estudos experimentais. Factores de segurança devem ser também utilizados, de forma a garantir uma correcta funcionalidade e uma boa durabilidade do diafragma.

O valor de deflexão máxima, geralmente expresso em percentagem do diâmetro interior do cilindro (D_int.cil.), é da ordem de 20-30%. Alguns fabricantes expressam o valor de deflexão máxima em função do valor da profundidade P_d (ou altura) do diafragma:

Deflexão máxima = (1,6 a 1,8) . P_d

Na Figura 11 são mostradas as principais características dimensionais dos diafragmas do tipo prato e, esquematicamente, aspectos da sua instalação e da sua deformação.

Figura 11 – Diafragma côncavo ou do tipo prato. Dimensões, instalação e deformação (esquemático)

 

Diafragma Côncavo ou Tipo Prato: Principais aplicações

Os diafragmas do tipo prato são utilizados em:

 

Diafragma Côncavo ou tipo Prato: Processos de fabrico e Materiais

Os diafragmas do tipo prato são obtidos por processos de moldagem, como já foi referido. Podem ser fabricados apenas com borracha ou, mais geralmente, com borracha e um material de reforço (têxtil, por exemplo).

 

Diafragma Convoluto (Convoluted Diaphragm)

Um diafragma do Tipo Convoluto é também designado por Diafragma Corrugado ou Diafragma Ondulado (Figura 12). A sua forma permite realizar um tipo de deformação designado por convolução, a qual está na origem da sua designação. É um tipo de membrana flexível, com diversos tipos de aplicações.

Figura 12 – Diafragma do tipo convoluto

 

Um diafragma do tipo convoluto possui uma maior flexibilidade que o diafragma do tipo plano e permite, portanto, obter uma maior deflexão. O diafragma do tipo convoluto requer que exista uma diferença de pressão na direção da convolução, para evitar a sua inversão. Portanto, a pressão P₂ do lado B do sistema em que opera é sempre maior que a pressão do P₁ do lado A, dando origem a uma deformação como é mostrada na Figura 13.

Figura 13 – Diafragma do tipo convoluto. Dimensões, instalação e deformação (esquemático)

 

O valor da deflexão máxima do diafragma depende, obviamente, das características dos materiais com que são produzidos, da sua espessura e da função que o diafragma vai desempenhar. Este valor pode ser obtido por cálculo e técnicas de análise de elementos finitos (FEA), embora sempre confirmadas por estudos experimentais. Factores de segurança devem ser também utilizados, de forma a garantir uma correcta funcionalidade e uma boa durabilidade do diafragma.

O valor de deflexão máxima é, em geral, da ordem de duas vezes o valor de P_d, sendo P_d a profundidade do diafragma (ver Figura 13). Alguns fabricantes expressam o valor de deflexão máxima em função do valor do diâmetro interior do cilindro:

(D_int.cil.):  D_f(máx.) = 0,3. (D_int.cil.)

Na Figura 13 são mostradas as suas principais características dimensionais e, esquematicamente, aspectos da sua instalação e da sua deformação.

 

Diafragmas tipo convoluto: Principais aplicações

Os diafragmas do tipo convoluto são utilizados em:

 

Diafragma do tipo Convoluto: Processos de fabrico e Materiais

Como já referimos, os diafragmas do tipo convoluto são obtidos por processos de moldagem. Podem ser fabricados apenas com borracha ou, mais geralmente, com borracha e um material de reforço (têxtil, por exemplo). Podem ainda possuir componentes metálicos ou plásticos.

 

Diafragma Rolante (Rolling Diaphragm)

Os diafragmas Rolantes, também designados, por vezes, por Membranas Rolantes, Diafragmas de Curso Longo ou Diafragmas Cartola, constituem um tipo de diafragmas que são utilizados em vários tipos de sistemas mecânicos, com a finalidade de constituírem uma vedação flexível.

A sua configuração permite que o diafragma flexione e acomode um movimento axial, mantendo o efeito de vedação (vedação dinâmica). A acção rolante do diafragma permite também reduzir o atrito e o desgaste, tornando-os adequados para aplicações cíclicas, de elevada frequência. É o caso de aplicações onde há um movimento alternado ou oscilante, como é o caso de cilindros hidráulicos ou pneumáticos, actuadores, bombas e válvulas.

A Figura 14 mostra um tipo muito corrente de diafragma rolante.

Figura 14 – Diafragma do tipo rolante

 

Na Figura 15 são mostradas as características dimensionais deste tipo de diafragmas.

Figura 15 – Características dimensionais dos diafragmas do tipo rolante

 

O valor de deflexão máxima é da ordem de 1,7 vezes o valor de A_d, sendo A_d a altura do diafragma (veja-se a Figura 15).

Na Figura 16 são mostrados, de forma esquemática, aspectos da sua instalação e da sua deformação, num sistema do tipo actuador.

Figura 16 – Diafragma rolante. Aspectos da sua instalação e da sua deformação, num sistema actuador (esquemático)

 

Diafragmas do tipo rolante: Cálculo da sua resistência mecânica

A Figura 16 mostra o efeito da pressão P num diafragma do tipo rolante. A maior parte da força correspondente a essa pressão é exercida no topo do pistão; uma pequena parte é exercida na área correspondente à zona de convolução do diafragma.

Pode também observar-se na Figura 16 e no pormenor “A” que essas forças forçam o diafragma contras a parede lateral do pistão e contra as paredes laterais do cilindro. A parte do diafragma que não é suportado, nem pela parede do pistão nem pelas paredes do cilindro (o segmento semi circular de convolução), opõe a sua resistência à força exercida.

As forças que se exercem em qualquer ponto deste segmento semi circular podem ser decompostas nas suas componentes verticais e horizontais (Figura 17). As componentes horizontais de dois pontos geometricamente opostos, de igual valor, mas de sentidos opostos, anulam-se.

Figura 17 – Segmento semi circular de convolução

 

A soma das componentes verticais da força, F, por centímetro de perímetro circunferencial do diafragma, tem o seguinte valor:

Sendo:

F = força total por unidade de perímetro;

P = Pressão exercida no sistema;

C = Largura de convolução.

 

Esta força total F é suportada pelas duas paredes do diafragma, em contacto com o pistão e com a parede do cilindro. Portanto, a força exercida em cada lado das paredes do diafragma F_pd, tem o valor de F/2:

Atendendo à expressão (1), temos:

Portanto, a resistência da parede do diafragma, seja esta apenas constituída por borracha ou por borracha com reforço têxtil pode ser calculada pela expressão (3).

 

Diafragmas tipo rolante: Principais aplicações

Os diafragmas do tipo rolante são utilizados em:

 

Diafragma do tipo Rolante: Processos de fabrico e Materiais

Os diafragmas do tipo rolante são obtidos por processos de moldagem.  Podem ser fabricados apenas com borracha ou, mais geralmente, com borracha e um reforço têxtil. Podem ainda possuir componentes metálicos ou plásticos.

 

Diafragmas, de qualquer dos tipos referidos, com um  material de reforço e elementos metálicos ou plásticos ligados à borracha (Reinforced diaphragms and metal or plastic bonded inserts).

Alguns tipos de diafragmas, podem também possuir componentes em metal ou plástico ligados ao composto de borracha. Estes componentes visam, especialmente, facilitar a montagem do diafragma, conferir maior resistência e estabilidade e reduzir a flexibilidade do diafragma, quando isso importa, para aumentar a sua durabilidade

Nas páginas que se seguem iremos descrever, com algum detalhe, os principais tipos de borrachas e de materiais de reforço que são utilizadas no fabrico dos diversos tipos de diafragmas.