Apostilas sobre Sistemas Fluidomecânicos_Parte3, Notas de estudo de Matemática
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Futebol1311 de dezembro de 2013

Apostilas sobre Sistemas Fluidomecânicos_Parte3, Notas de estudo de Matemática

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Apostilas de Engenharia Mecatrônica da Escola Politécnica da USP sobre Sistemas Fluidomecânicos, Comportamento do Ar Comprimido, Tecnologia de Acionamento Pneumático, Características dos Sistemas Pneumáticos.
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Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Depto. de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos

Eletrônica Analógica

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o ar atinge a saída para o atuador. Quando a pressão em P deixa de existir, o ar que

agora retorna pela conexão A, movimenta o elemento de vedação contra a conexào P e

provoca o seu bloqueio (ver figura 9.2.4.1). Dessa forma o ar pode escapar por R

rapidamente para a atmosfera, evitando que o ar passe por uma canalização longa e de

diâmetro pequeno que reduze o seu fluxo. Essa válvula é colocada diretamente na saída

do cilindro como mostrado na figura 9.2.4.1.

Figura 9.2.4.1 - Válvula de escape rápido.

9.3 Válvulas de Fluxo

Essas válvulas reduzem a seção de passagem para modificar a vazão do ar

comprimido e assim controlar a velocidade dos atuadores. Para uma dada seção de

passagem a vazão depende somente da diferença de pressão entre as duas extremidades

da seção. A figura 9.3.1 ilustra os diferentes tipos de seção de passagem e seus

símbolos.

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Figura 9.3.1 - Seções de passagem.

9.3.1 Válvula Reguladora Unidirecional

Trata-se da combinação em paralelo de uma válvula estranguladora variável e

uma válvula de retenção. É usada quando se deseja regular o fluxo num único sentido.

A figura 9.3.1.1 ilustra essa válvula, seu símbolo e sua montagem no circuito

pneumático.

Figura 9.3.1.1 - Válvula reguladora de fluxo unidirecional.

A figura 9.3.1.2 ilustra um detalhe de montagem dessa válvula no circuito do

atuador. Na montagem do circuito da esquerda somente um lado do pistão está

submetido à pressão do ar, assim se ocorrer uma aplicação de carga brusca na haste do

pistão (tração ou compressão) o mesmo irá se mover (a válvula de retenção permite o

fluxo fácil de ar), ou seja, esse tipo de circuito não dá rigidez ao movimento da haste. Já

no circuito da direita ambos os lados do pistão estarão sob pressão, pois o

estrangulamento impõe uma perda de carga para a saída de ar do pistão. Assim esse

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circuito dá mais rigidez ao movimento do pistão que não fica sujeito à oscilações devido

a variações da carga.

Figura 9.3.1.2 - Diferentes montagens da válvula reguladora no circuito pneumático.

9.3.2 Válvulas de Fechamento

São essencialmente "torneiras" pneumáticas que bloqueiam manualmente o

fluxo de ar. A figura 9.3.2.1 ilustra esse tipo de válvula cuja construção é similar a

torneira hidráulica doméstica.

Figura 9.3.2.1 - Válvula de fechamento.

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9.4 Válvulas de Pressão

9.4.1 Válvula Regulador de Pressão

Essa válvula é usada para limitar a pressão que alimenta um equipamento

pneumático já tendo sido explicada no ítem 5.6.2.

9.4.2 Válvula Limitadora de Pressão

São utilizadas como válvulas de segurança ou alívio contra sobrepressões. A

figura 9.4.2.1 ilustra esse tipo de válvula. No momento em que um valor de pressão pré-

estabelecido é superado, abre-se uma passagem no interior da válvula contra a pressão

de uma mola e o ar comprimido é exaurido para atmosfera.

Figura 9.4.2.1 - Válvula limitadora de pressão.

9.4.3 Conversores pneumático-elétrico ou pressostatos

Serve para transformar um sinal de entrada pneumático num sinal de saída

elétrico. Em geral a pressão age sobre um êmbolo (ou membrana) que se desloca

efetuando o contato. A regulagem da pressão em que o contato ocorre é feita regulando-

se a distância entre que o êmbolo deve mover para realizar o contato. A figura 9.4.3.1

ilustra um pressostato de calibragem fixa e um variável.

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Figura 9.4.3.1 - Pressostatos de calibragem fixa e variável.

9.5 Regulagem dos compressores

Para combinar o volume de fornecimento com o consumo de ar é necessária uma

regulagem dos compressores. Em geral os sistemas de regulagem envolvem o uso de

válvulas pneumáticas como mostrado adiante. Dois valores limites pré-estabelecidos de

pressão máxima/mínima influenciam o volume de ar fornecido. Existem três tipos de

regulagem descritos a seguir.

9.5.1 Regulagem de marcha vazio

• Regulagem por descarga

Quando alcançada a pressão regulada, o ar escapa livre da saída do compressor

através de uma válvula limitadora de pressão como mostrado na figura 9.5.1.1. Uma

válvula de retenção evita que o reservatório se esvazie ou retorne para o compressor.

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Figura 9.5.1.1 - Regulagem por descarga.

• Regulagem por fechamento

Nesta regulagem se fecha o lado da sucção como mostrado na figura 9.5.1.2. O

compressor não pode mais aspirar e funciona em vazio. Esta regulagem é encontrada em

compressores rotativos e de êmbolo.

Figura 9.5.1.2 - Regulagem por fechamento.

• Regulagem por garras

É empregada em compressores de êmbolo. Mediante garras, mantém-se aberta a

válvula de sucção, evitando que o compressor continue comprimindo como mostrado na

figura 9.5.1.3.

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Figura 9.5.1.3 - Regulagem por garras.

9.5.2 Regulagem de carga parcial

• Regulagem na rotação

Ajusta-se o regulador de rotação do motor que aciona o compressor. A

regulagem pode ser manual ou automática dependendo da pressão de trabalho.

• Regulagem por estrangulamento

É encontrado em compressores rotativos e em turbo-compressores. A regulagem

é feita estrangulando-se o funil de sucção do compressor.

9.5.3 Regulagem intermitente

Ao alcançar a pressão máxima, o motor que aciona o compressor é desligado, e

quando a pressão atinge um valor mínimo, o motor liga novamente e o compressor volta

a trabalhar. A ação de ligar e desligar é comandada por um interruptor pneumático

chamado pressostato, como mostrado na figura 9.5.3.1.

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Figura 9.5.3.1 - Regulagem intermitente.

.

A freqüência de comutações pode ser regulada no pressostato e para que os

períodos de comando possam ser limitados a uma medida aceitável, é necessário um

grande reservatório de ar comprimido.

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10. Temporizadores Pneumáticos

Servem para criar um retardo no envio ou na recepção de um sinal de comando.

A figura 10.1 ilustra um temporizador que retarda a emissão do sinal e sua simbologia.

A aplicação do sinal em X, provoca após um tempo de retardo, o aparecimento de um

sinal de saída em A. A temporização é obtida através de um progressivo aumento da

pressão no pequeno reservatório provocado pela entrada do sinal X que por sua vez

passa através de um estrangulamento regulável. Após um tempo t a pressão é suficiente

paa comandar o êmbolo da válvula 3/2 vias. Interligando as conexões P com A. Ao

cessar o sinal em X, o ar do reservatório sai pela membrana de retenção do

estrangulmento. O gráfico da figura 10.1 também ilustra os sinais em X e A em função

do tempo.

Figura 10.1 - Válvula temporizadora que retarda a emissão do sinal.

A figura 10.2 ilustra uma válvula temporizadora que retarda a interrupção do

sinal e sua simbologia. O princípio de funcionamento é análogo à válvula anterior. O

gráfico da mesma figura ilustra os sinais em X e A em função do tempo.

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Figura 10.2 - Válvula temporizadora que retarda a interrupção do sinal.

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11. Amplificadores Pneumáticos

Os sinais de pressão gerados por alguns dispositivos pneumáticos como os

sensores como será visto adiante são muito pequenos, da ordem de até mbar. Assim os

amplificadores são usados para ampificar o sinal pneumático.

11.1 Amplificador de Pressão Monoestágio

São usados para pressões de comando de 0,1 a 0,5 bar. A figura 11.1.1 ilustra

esse tipo de amplificador. Inicialmente P está bloqueado e A está em exaustão.

Recebendo o sinal X, o diafragma é atuado erguendo o pistão de comando e abrindo a

passagem de P para A. P está conectado à pressão normal de até 8 bar. O sinal de A é

usado para o comando de elementos que trabalham com média pressão. Eliminando o

sinal em X, o pistão de comando fecha a passagem de P para A que retorna para

exaustão. A amplificação de pressão é dada pela razão PA/PX. O ganho desse

amplificador pode chegar até 10 vezes.

Figura 11.1.1 - Amplificador de Pressão Monoestágio.

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11.2 Amplificador de Pressão de Duplo Estágio

Quando for necessário ganhos maiores de amplificação são usados os

amplificadores de duplo estágio que permitem atingir amplificações de até 12.000

vezes. A figura 11.2.1 ilustra esse tipo de amplificador. Na posição de repouso a válvula

3/2 vias está fechada de P para A. Na entrada PX existe uma alimentação contínua de ar

(0,1 a 0,2 bar) que escapa pela saída RX para a atmosfera (consumo contínuo de ar).

Existindo um sinal de comando em X a membrana fecha a passagem de ar de PX para

RX. A pressão PX aciona a membrana de comando do amplificador que move o êmbolo

de comando comunicando P com A e fechando R. Eliminando a pressão em X a mola

retorna a membrana e portanto o êmbolo de comando que fecha a passagem de P para A

voltando ao estado inicial.

Figura 11.2.1 - Amplificador de pressão de duplo estágio.

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12. Circuitos Pneumáticos

Os circuitos pneumáticos são compostos de válvulas pneumáticas e são

responsáveis por comandar os atuadores pneumáticos. Como já comentado na

introdução, os circuitos pneumáticos são equivalentes a circuitos eletrônicos digitais,

uma vez que cada atuador possui apenas duas posições (0 ou 1).

Um circuito pneumático deve ser representado por símbolos. A figura 12.1

ilustra a montagem real de um circuito pneumático que controla um pistão de dupla

ação e ao lado a sua representação simbólica. Note que a posição das válvulas acionadas

por rolete (1.2 e 1.3) são representadas apenas por pequenos traços na posição em que

elas devem ser montadas juntamente com o número da válvula.

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Figura 12.1 - Circuito real e sua representação simbólica.

O circuito é iniciado ao se pressionar a válvula 1.4 . A válvula bi-estável 1.1

comuta e move o pistão. Ao final do curso a haste pisa na válvula 1.3 que comuta

novamente a válvula 1.1 retornando o pistão. Se a válvula 1.4 for mantida pressionada o

pistão fica indo e voltando até que o botão 1.4 seja liberado.

A figura 12.2 ilustra um circuito pneumático para o acionamento de motores

pneumáticos.

Figura 12.2 - Circuito para motores pneumáticos.

Num circuito penumático encontramos os seguintes elementos:

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• Elementos de trabalho: cilindros e motores pneumáticos

• Elementos de comando e de sinais: válvulas direcionais 4/2 vias, 3/2 vias, etc.

• Elementos de alimentação: unidade de tratamento, válvulas de fechamento e de

segurança.

A figura 12.3 ilustra como esses elementos devem ser numerados.

Figura 12.3 - numeração dos elementos pneumáticos no circuito.

Os elementos de trabalho são numerados como 1.0, 2.0, etc.. Para as válvulas, o

primeiro número está relacionado a qual elemento de trabalho elas influem. Para as

válvulas de comando, que acionam diretamente o pistão, o número a direita do ponto é

1. Para as válvulas de sinais o número a direita do ponto é par (maior do que zero) se a

válvula é responsável pelo avanço do elemento de trabalho e ímpar (maior do que 1) se

a válvula válvula é responsável pelo retorno do elemento de trabalho. Para os elementos

de regulagem (válvulas de fluxo) o número a direita do ponto é o número "0" seguido de

um número par (maior do que zero) se a válvula afeta o avanço e ímpar (maior do que

1) se a válvula afeta o retorno do elemento de trabalho.

Para os elementos de alimentação o primeiro número é "0" e o número depois do

ponto corresponde à seqüência com que eles aparecem. A figura 12.4 ilustra como fica a

numeração completa de um circuito pneumático.

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Figura 12.4 - Numeração de um circuito pneumático.

12.1 Seqüência de Movimento dos Pistões

O circuito pneumático é projetado mediante a seqüência de acionamento dos

pistões que podem ser especificadas na forma de gráficos trajeto-passo, gráficos trajeto-

tempo, ou letras com os sinais + (avançar) ou - (retornar) como mostrado na figura

12.1.1.

Figura 12.1.1 - Diagramas de trajeto-tempo (esquerda) e trajeto-passo (direita).

Pode-se representar o acionamento das válvulas através do diagrama de

comandos como mostrado na figura 12.1.2.

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Figura 12.1.2 - Diagrama de comandos.

Para o projeto do circuito pneumático é importante identificar se a seqüência é

direta ou indireta. Para isso dividimos a seqüência ao meio como mostrado abaixo. Se as

letras estiverem na mesma ordem da seqüência trata-se de uma seqüência direta, caso

contrário é um seqüência indireta. Abaixo temos vários exemplos de seqüências diretas

e indiretas.

Em seqüências que apresentam movimento simultâneo de dois ou mais cilindros,

pode-se inverter a ordem dos cilindros dentro dos parênteses sem alterar a seqüência

original. Desta forma, seqüências que aparentemente são indiretas podem ser

constituídas em seqüências diretas como mostrado abaixo.

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12.2 Métodos de Projeto de Circuitos Pneumáticos

Serão descritos adiante dois métodos para o projeto de um circuito pneumático:

método intuitivo e métdo passo-a-passo. Se a seqüência de acionamento for direta

podemos usar o método intuitivo, caso contrário (seqüência indireta) devemos usar o

método passo-a-passo para evitar o problema de sobreposição de sinais que será descrito

adiante.

12.2.1 Método Intuitivo

Considere o projeto de um circuito pneumático que execute a seqüência direta

A+B+A-B-. A seguir descrevemos as etapas para o projeto desse circuito usando o

método intuitivo.

1. Etapa: desenhar os elementos de trabalho

2. Etapa: desenhar as válvulas de comando principal

3. Etapa: desenhar os elementos de sinal

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4. Etapa: desenhar todas as linhas de trabalho, pilotagem, alimentação de ar e exaustão

5. Etapa: de acordo com os passos da seqüência de movimento, desenhar os

acionadores dos elementos de sinal e representar a posição de cada uma das válvulas

piloto entre os cilindros.

1º passo: acionando um botão de partida, deverá ocorrer o avanço do cilindro A, que

é o primeiro passo da seqüência de movimentos

2º passo: quando o cilindro A alcançar o final do curso de avanço, acionará o rolete

de outro elemento de sinal cuja função é pilotar o avanço do cilindro B, que é o

segundo passo da seqüência de movimentos

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3º passo: quando o cilindro B alcançar o final do curso de avanço, será acionado o

rolete de outro elemento de sinal cuja função é pilotar o retorno do cilindro A, que é

o terceiro passo da seqüência de movimentos

4º passo: quando o cilindro A alcançar o final do curso de retorno, acionará o rolete

de outro elemento de sinal cuja função é pilotar o retorno do cilindro B, que é o

último passo da seqüência de movimentos

6. Fim do ciclo: esquema final para A+B+A-B-

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O circuito final deve ser sempre representado na sua posição de partida. As

válvulas que estiverem "pisadas" devem ser representadas como na figura 12.2.1.

Figura 12.2.1 - Representação da válvula acionada.

A figura abaixo ilustra um circuito pneumático projetado usando o método

intuitivo para a seqüência indireta A+B+B-A-.

Esse circuito não funciona. Acionando-se a válvula 1.2, o cilindro A deveria

avançar. Entretanto, note que o cilindro B, parado na sua posição final traseira, mantém

acionada a válvula 1.3 pressurizando o piloto Y da válvula 1.1, o que evita que a válvula

1.2 dê a partida no circuito. Outra sobreposição de sinais ocorre quando o cilindro B

acionar a válvula 2.3 que deve pilotar o retorno do cilindro B. No entanto, o cilindro A

mantém acionada a válvula 2.1 pressurizando o piloto Z da válvula de comando 2.1 e

evitando que a válvula 2.3 possa pilotar o retorno do cilindro B. Uma forma de

contornar esse problema nesse circuito é utilizar válvulas com roletes escamoteáveis

como mostrado abaixo.

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Essas válvulas são acionadas somente num sentido e não no outro como

mostrado na figura 12.2.2. Na representação de sua posição devemos desenhar uma seta

indicando o sentido de acionamento (ver figura 12.2.2).

Figura 12.2.2 - Válvula com rolete escamoteável.

A desvantagem da utilização desse tipo de válvula é que ela deve ser montada

alguns mílimetros antes do final (ou começo) do curso do cilindro, o que faz com que,

por alguns segundos, ocorra superposição dos movimentos dos dois cilindros, o que

nem sempre é desejável. Por exemplo, enquanto o pistão que executa uma prensagem

não parar o pistão que fixa a peça não pode se mover.

Uma outra solução seria usar válvulas temporizadoras como mostrado abaixo

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Nesse caso a válvula introduz um atraso no acionamento das válvulas

eliminando o problema de sobreposição de sinais. No entanto essa é uma solução anti-

econômica, pois as válvulas temporizadoras são mais caras do que válvulas 3/2 vias

comuns. A solução é usar o método apresentado a seguir.

12.2.2 Método Passo-a-Passo

Considere o projeto de um circuito pneumático que execute a seqüência direta

A+B+B-A-. A seguir descrevemos as etapas para o projeto desse circuito usando o

método passo-a-passo.

1. Etapa: dividir a seqüência de movimentos do circuito em grupos lembrando que

cada movimento (passo) da seqüência corresponde a um grupo. Em geral, teremos

um número par de grupos de alimentação de ar, com exceção das seqüências com

movimentos simultâneos que poderão apresentar um número ímpar de grupos.

2. Etapa: desenhar os elementos de trabalho do circuito ligados às suas respectivas

válvulas de comando de duplo piloto.

3. Etapa: desenhar o comando passo a passo com tantos grupos de alimentação de ar

quantos forem encontrados na primeira etapa. O número de válvulas necessárias

para controlar as linhas de alimentação de ar é igual ao número de grupos

encontrados na divisão da seqüência. Para quatro grupos temos:

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Pilotando-se a válvula 0.1 do lado esquerdo a linha 1 será pressurizada, e com

isso a válvula 0.4 será pilotada do lado direito descarregando a linha IV para a

atmosfera. Uma a uma as válvulas distribuidoras 0.1, 0.2, 0.3 e 0.4 serão pilotadas

pelos elementos de sinal de acordo com a ordem de acionamento dos elementos de

sinal, pressurizando uma linha de alimentação de ar de cada vez para que ocorra a

seqüência de movimentos do circuito. Por convençao, a última linha sempre deve

esta pressurizada na partida do circuito.

4. Etapa: ligar os pilotos das válvulas de comando dos cilindros às linhas de

alimentação de ar de acordo com os grupos determinados na divisão da seqüência de

movimentos do circuito.

Assim, devemos ligar os pilotos de avanço dos cilindros A e B nas linhas I e II,

respectivamente, e os pilotos de retorno dos cilindros B e A nas linhas III e IV,

respectivamente.

5. Etapa: desenhar os elementos de sinal pilotando as válvulas do comando passo-a-

passo de acordo com a seqüência de movimentos do circuito. Os elementos de sinal

devem ser acionados por rolete mecânico, com exceção daqueles que são

responsáveis pela partida, geralmente acionados por botão. Todos os elementos de

sinal devem ser alimentados pelas linhas referentes aos grupos do comando passo a

passo, sendo que o ar da linha atuante deverá ser usado para pilotar a linha posterior.

Para a seqüência em questão temos:

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1º passo: mudança da alimentação de ar do grupo IV para o grupo I para que o

cilindro A avance (partida).

Acionando-se 1.2, ocorre a mudança de alimentação de ar da linha IV para a

linha I do comando passo a passo e o cilindro A avança.

2º passo: mudança da alimentação de ar do grupo I para o grupo II para que o

cilindro B avance.

Quando o cilindro A aciona a válvula 2.2, a alimentação da linha I muda para a

linha II do comando para que o cilindro B avance.

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