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PNEUMÁTICA
1. INTRODUÇÃO
1.1. Desenvolvimento da técnica do ar comprimido O ar comprimido é, provavelmente, uma das mais antigas formas de transmissão de energia que o homem conhece, emprega e aproveita para ampliar sua capacidade física. O reconhecimento da existência física do ar, bem como a sua utilização mais ou menos consciente para o trabalho, são comprovados há milhares de anos. Dos antigos gregos provém a expressão “PNEUMA” que significa fôlego, vento. Derivado da palavra “PNEUMA”, surgiu, entre outros, o conceito de “PNEUMÁTICA”: o estudo dos movimentos dos gases e fenômenos dos gases. Embora a base da pneumática seja um dos mais velhos conhecimentos da humanidade, foi preciso aguardar o século XIX para que o estudo do comportamento e características dela se tornasse comum. Porém, pode-se dizer que somente após o ano 1950 é que ela foi realmente introduzida na produção industrial. Antes, porém, já existiam alguns campos de aplicação e aproveitamento da pneumática, como, por exemplo, a indústria mineira, a construção civil e a indústria ferroviária (freios a ar comprimido). A introdução de forma mais generalizada da pneumática na indústria, começou com a necessidade, cada vez maior, de automatização e racionalização dos processos de trabalho. Hoje, o ar comprimido tornou-se indispensável, e nos mais diferentes ramos industriais instalam-se aparelhos pneumáticos.
1.2. Características do ar comprimido É admirável como a pneumática tem conseguido se expandir em tão pouco tempo. Entre outras características, as principais são as seguintes:
- Quantidade: O ar, para ser comprimido, se encontra em quantidades ilimitadas, praticamente em todos os lugares.
- (^) O ar comprimido é facilmente transportável por tubulações, mesmo para distâncias consideravelmente grandes. Não há necessidade de se preocupar com o retorno do ar.
- Num circuito pneumático não é necessário que o compressor esteja em funcionamento contínuo. O ar pode ser sempre armazenado em um reservatório
e, posteriormente, tirado de lá. Além disto é possível o transporte em reservatórios (botijão).
- Temperatura: O trabalho realizado com ar comprimido é insensível às oscilações de temperatura. Isto garante, também em situações térmicas extremas, um funcionamento seguro.
- (^) Não existe o perigo de explosão ou de incêndio. Portanto não são necessárias custosas proteções contra explosões.
- O ar comprimido é limpo. O ar, que eventualmente escapa das tubulações ou outros elementos inadequadamente vedados, não polui o ambiente. Esta limpeza é uma exigência, por exemplo, nas indústrias alimentícias, madeireiras, têxteis e curtumes.
- Os elementos de trabalho são de construção simples e, portanto de custo, vantajoso.
- O ar comprimido é um meio de trabalho muito veloz e permite alcançar altas velocidades de trabalho (a velocidade de trabalho dos cilindros pneumáticos oscila entre 1-2m/seg.
Para poder definir corretamente os campos de emprego da pneumática, é necessário também conhecer as características negativas da mesma:
- Preparação: O ar comprimido requer uma boa preparação. Impureza e umidade devem ser evitadas, pois provocam desgaste nos elementos pneumáticos.
- Compressibilidade: Não é possível manter uniforme e constante as velocidades dos pistões, mediante ar comprimido.
- Escape de ar: O escape de ar é ruidoso. Com o desenvolvimento de silenciadores, este problema está atualmente solucionado.
- Custos: O ar comprimido é uma fonte de energia muito custosa. Porém, o alto custo de energia será, em grande parte, compensado pelos elementos de preço vantajoso e pela grande rentabilidade do ciclo de trabalho.
2. PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO
2.1. Instalação de produção
altas pressões faz-se necessária uma refrigeração intermediária, pois se cria alto aquecimento.
a).a) Compressor rotativo Este é um compressor com êmbolo rotativo. Neste tipo se estreitam (diminuem) os compartimentos, comprimindo então o ar nos mesmos. Outro tipo de construção funciona segundo o princípio de fluxo: sucção do ar de um lado e compressão no outro (turbina).
2.3. Critérios para escolha de compressores
a) Volume de ar fornecido O volume de ar fornecido é a quantidade de ar que está sendo fornecida pelo compressor. Existem duas diferentes indicações de volume fornecido: volume fornecido teórico e volume fornecido efetivo. O produto do “volume cilíndrico x rotação” é o volume fornecido teórico. O volume fornecido efetivo depende da construção do compressor. Apenas o volume efetivo fornecido pelo compressor é que interessa, pois com este é que são acionados e comandados os aparelhos pneumáticos, mas, mesmo assim, muitos fabricantes de compressores baseiam os dados técnicos no valor teórico. O volume fornecido é indicado em volume/minutos ou volume/hora.
b) Pressão Pressão de regime é a pressão fornecida pelo compressor, bem como a pressão do reservatório e a pressão na rede distribuidora até o consumidor. Pressão de trabalho é a pressão necessária nos pontos de trabalho. A pressão de trabalho é geralmente de 6 bar e os elementos de trabalho estão construídos para esta faixa que é considerada quase como “pressão normalizada” ou “pressão econômica”.
c) Acionamento O acionamento dos compressores pode ser por motor elétrico ou motor a explosão. Em instalações industriais, aciona-se na maioria dos casos, com motor elétrico. Tratando- se de uma estação móvel, emprega-se geralmente um motor à explosão.
d) Regulagem Para combinar o volume de fornecimento com o consumo de ar é necessária uma regulagem dos compressores. Dois valores limites pré-estabelecidos (pressão máxima/ mínima), influenciam o volume fornecido. Existem diferentes tipos de regulagem. Os compressores utilizados nos trens de transporte ferroviário e metroviário normalmente apresentam o tipo de regulagem chamada de regulagem de carga parcial intermitente: com esta regulagem, o compressor funciona em dois campos (carga máxima e parada total): ao alcançar a pressão máxima, o motor acionador do compressor é desligado, e quando a pressão chega ao mínimo, o motor se liga novamente e o compressor trabalha outra vez. A freqüência de comutações pode ser regulada num pressostato e para que os períodos de comando possam ser limitados a uma medida aceitável, é necessário um grande reservatório de ar comprimido.
3. DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO
3.1. Refrigeração Provocado pela compressão do ar e pelo atrito cria-se calor no compressor, o qual deve ser dissipado. Conforme o grau de temperatura no compressor é necessário escolher a refrigeração mais adequada. Em compressores pequenos serão suficientes palhetas de areação, para que o calor seja dissipado. Compressores maiores estão equipados com um ventilador para dissipar o calor. Tratando-se de uma estação de compressores com uma potência de acionamento de mais de 30 HP, uma refrigeração a ar seria insuficiente. Os compressores devem então ser equipados com uma refrigeração a água circulante ou a água corrente contínua.
4. PREPARAÇÃO DO AR COMPRIMIDO
4.1. Impurezas Impurezas em forma de partículas de sujeira ou ferrugem, restos de óleo e umidade levam, em muitos casos, a falhas em instalações e a avarias nos elementos pneumáticos. Enquanto a primeira separação da água condensada é feita no separador após o resfriador, a separação final, filtragem e outros tratamentos secundários do ar comprimido é executada no local de consumo. É necessário atentar especialmente para a ocorrência de umidade. A água (umidade) já penetra na rede pelo próprio ar aspirado pelo compressor. A incidência da umidade depende, em primeira instância, da umidade relativa do ar que por sua vez, depende da temperatura e condições atmosféricas. O ar comprimido, deve em casos de ocorrência de umidade, passar para um secador. Para isto existem os seguintes processos:
- Secagem por absorção
- Secagem por adsorção
- Secagem por resfriamento
a) Secagem por absorção A secagem por absorção é um processo puramente químico. Nesse processo, o ar comprimido passa sobre uma camada solta de um elemento secador. A água ou vapor de água que entra em contato comesse elemento, combina-se quimicamente com ele e se dilui na forma de uma combinação elemento secador-água. Esta mistura deve ser removida periodicamente do absorvedor. Essa operação pode ser manual ou automática.
acúmulo destas partículas impedem a passagem do ar. Portanto, o elemento filtrante deve ser limpo ou substituído a intervalos regulares.
4.3. Regulador de pressão: O regulador tem por função manter constante a pressão de trabalho ou primária (nos pontos de utilização) independente da pressão de rede ou secundária (fornecida pelo compressor). A pressão primária tem que ser sempre maior que a secundária. A pressão é regulada por meio de uma membrana. Uma das faces da membrana é submetida à pressão de trabalho. Do outro lado, atua uma mola cuja pressão é ajustável por meio de um parafuso de regulagem. Os reguladores de pressão possuem um indicador (manômetro) que indica o valor da pressão do ar que circula através do regulador (pressão secundária).
4.4. Lubrificador de ar comprimido O lubrificador tem a tarefa de abastecer suficientemente, com materiais lubrificantes, os elementos pneumáticos. Os materiais lubrificantes são necessários para garantir um
desgaste mínimo dos elementos móveis, manter tão mínimos quanto possível as forças de atrito e proteger os aparelhos contra a corrosão. Lubrificadores de óleo trabalham, geralmente segundo o princípio VENTURI. A diferença de pressão, entre a pressão antes do bocal nebulizador e a pressão no ponto estrangulado do bocal, será aproveitada para sugar óleo de um reservatório e de misturá-lo com o ar em forma de neblina. O lubrificador de ar somente começa a funcionar quando existe um fluxo suficientemente grande. Quando houver uma pequena demanda de ar, a velocidade no bocal é insuficiente para gerar uma depressão (baixa pressão) que possa sugar o óleo de reservatório. Deve-se portanto, prestar atenção aos valores de vazão (fluxo) indicados pelo fabricante.
6. ELEMENTOS PNEUMÁTICOS DE TRABALHO
A energia pneumática será transformada, por cilindros pneumáticos, em movimentos retilíneos, e pelos motores pneumáticos em movimentos rotativos.
6.1. Elementos pneumáticos de função retilínea (cilindros pneumáticos). A geração de um movimento retilíneo com elementos mecânicos, conjugados com acionamento elétrico, é relativamente custosa e ligada a certas dificuldades de fabricação e durabilidade.
a) Cilindros de simples ação Os cilindros de simples ação são acionados por ar comprimido de um só lado, e portanto, trabalham só em uma direção. O retorno se efetua mediante uma mola ou por uma força externa. A força da mola e é calculada para que ela possa retroceder o pistão a posição inicial, com uma velocidade suficiente alta sem absorver, porém, energia elevada. Em cilindros de ação simples com mola, o curso do êmbolo é limitado pelo comprimento da mola. Por esta razão fabrica-se cilindros de ação simples só com comprimento de até aproximadamente 100 mm. Estes elementos de trabalho empregam- se principalmente para fixar, expulsar, prensar, elevar, alimentar, etc. A vedação é feita por um material flexível alojado em um êmbolo metálico, ou de material sintético. Em movimento, os cantos vedantes deslizam na superfície do cilindro. Em um segundo tipo de montagem, o curso de trabalho é feito por uma mola e o retrocesso por ar comprimido. Emprego: ao faltar energia (freios em caminhões, vagões ferroviários). Vantagem: efeito de freio.
b) Cilindro de dupla ação A força do ar comprimido movimenta o pistão do cilindro de dupla ação em duas direções. Será produzida uma determinada força no avanço, bem como no retorno. Cilindros de dupla ação são utilizados especialmente onde é necessário também em retrocesso, exercer uma função de trabalho. O curso, em princípio, é ilimitado, porém é importante levar em consideração a deformação por flexão e flambagem. A vedação aqui, efetua-se mediante êmbolo (pistão de dupla vedação).
c) Cilindro com haste passante de ambos os lados Este cilindro de haste passante tem algumas vantagens. A haste é melhor guiada devido a dois mancais de guia. Isto possibilita a admissão de uma ligeira carga lateral. Os elementos sinalizadores podem ser montados na parte livre da haste do êmbolo. Neste caso, a força é igual em ambos os lados (mesma área de pressão).
d) Cilindro rotativo: Na execução com cilindros de ação dupla, a haste de êmbolo tem um perfil dentado (cremalheira). A haste de êmbolo aciona com esta cremalheira uma engrenagem, transformando o movimento linear em um movimento rotativo à esquerda ou direita, sempre segundo a direção do curso. Os campos de rotação usuais são vários, isto é, de 45º, 90º, 180º, 290º até 720º. Um parafuso de regulagem possibilita porém a determinação do campo de rotação parcial, dentro do total. Acionamento giratório emprega-se para virar peças, curvar tubos, regular instalações de ar condicionado, acionamento de válvulas de fechamento e válvulas borboletas, etc.
e) Cilindro de aleta giratória Como nos cilindros rotativos já descritos, também nos de aleta giratória é possível um giro angular limitado. O movimento angular raramente vai além de 300º. A vedação é problemática, o diâmetro em relação à largura, em muitos casos somente possibilita pequenos momentos de torção (torque). Estes cilindros raramente se empregam na pneumática, porém freqüentemente na hidráulica.
6.2. Construção do cilindro O cilindro de êmbolo consiste em um tubo (camisa) cilíndrico, tampa (cabeçote) anterior e posterior, êmbolo com gaxetas (gaxeta dupla tipo copo), haste do êmbolo, bucha de guia, anel limpador, suplementarmente ainda, peças de adaptação e vedação. A camisa na maioria dos casos é feita de um tubo de aço trefilado a frio, sem costura. Para aumentar a vida útil dos elementos de vedação, a superfície deslizante do tubo é brunida. Para casos especiais executa-se o cilindro de alumínio ou de latão e de aço com superfície deslizante de cromo duro. Estas execuções especiais serão
Os comandos pneumáticos consistem de elementos de sinal, elementos de comando e elementos de trabalho. Os elementos emissores de sinal e de comando influenciam o processo dos trabalhos, razão pela qual serão denominados “válvulas”. As válvulas são aparelhos de comando ou de regulagem, de partida, parada e direção. Elas comandam também a pressão ou vazão do meio de pressão armazenado em um reservatório ou movimento por uma bomba. A denominação “válvula” é válida, correspondendo à linguagem internacionalmente usada, para todos os tipos de construção: registros, válvulas de esfera, válvulas de assento, válvulas direcionais, etc. Esta designação é definida pela norma DIN 24.300, conforme recomendação da CETOP (Comissão Européia de Transmissões Óleo Hidráulicas e Pneumáticas). As válvulas, segundo as suas funções, serão sub-divididas em cinco grupos:
- Válvulas direcionais
- Válvulas de bloqueio
- Válvulas de pressão
- Válvulas de fluxo (vazão)
- (^) Válvulas de fechamento
7.2. Válvulas direcionais São aparelhos que influenciam o percurso de um fluxo de ar, principalmente nas partidas, nas paradas e na direção de fluxo.
a) Simbologia Em esquemas pneumáticos usam-se símbolos para a descrição de válvulas emissoras de sinal, de comando e para válvulas direcionais de 2,3,4, ou 5 vias. Estes símbolos não caracterizam o tipo de construção, mas somente a função das válvulas.
- As válvulas simbolizam-se com quadrados.
- O número de quadrados unidos indica o número de posições que uma válvula pode assumir.
- A função e o número de vias serão desenhados nos quadrados.
- As linhas indicam as vias de passagem.
- (^) As setas indicam a direção do fluxo de ar.
- Os fechamentos são indicados dentro dos quadrados com tracinhos transversais.
- A união de vias dentro de uma válvula é simbolizada por um ponto.
- As ligações (entrada e saída) serão caracterizadas por tracinhos externos, o número de traços indica o número de vias.
- (^) Outras posições obter-se-ão deslocando os quadrados, até que se cubram as vias com as ligações.
- As posições de comando podem ser indicadas por letras minúsculas ( a,b,c,o ).
- Vias de exaustão sem conexão (escape livre) - Triângulo no símbolo.
- Vias de exaustão com conexão (escape dirigido) - Triângulo afastado do símbolo.
Define-se como posição de repouso aquela condição em que, através de molas, por exemplo, os elementos móveis da válvula são posicionadas enquanto a mesma não está sendo acionada. Em válvula com 3 posições de comando: posição do meio = posição de repouso. Posição de partida (ou inicial) será denominada aquele que os elementos móveis da válvula assumam, após montagem na instalação e ligação da pressão de rede, bem como na possível ligação elétrica, e com a qual começa o programa previsto. Para garantir uma identificação e uma ligação correta das válvulas, identificam-se as conexões com letras maiúsculas. Conforme a necessidade, podem ser adicionados às válvulas direcionais os mais diferentes tipos de acionamento. O princípio de construção da válvula é determinante para a vida útil, a força de acionar, o modo de acionar, a possibilidade de ligação e o tamanho de construção. Existem também as válvulas eletro-magnéticas. Estas válvulas empregam-se onde o sinal de comando parte de um timer elétrico, de uma chave fim de curso elétrico, de pressostato ou de aparelhos eletrônicos. Em comandos com distâncias relativamente grandes e de tempo de comutação curto, escolhe-se na maioria dos casos, comandos elétricos.
7.3. Válvulas de bloqueio Estas válvulas são aparelhos que fecham a passagem em uma direção, dando passagem em direção contrária. A própria pressão aciona a peça vedante e ajuda com isto a vedação da válvula.
o fluxo para A em virtude das forças diferenciais no pistão corrediço. Existindo diferença de tempo nos sinais de entrada, o sinal atrasado vai para a saída. Quando há diferença de pressão dos sinais de entrada, a pressão maior fecha um lado da válvula e a pressão menor vai para a saída A. Emprega-se esta válvula principalmente em comando do bloqueio, comandos de segurança e funções de controle em combinações lógicas.
7.4. Válvulas de pressão São válvulas que influenciam principalmente a pressão e pelas quais podem ser feitas regulagens ou comandos em dependência da pressão. Distinguem-se:
- válvula reguladora de pressão (redutor de pressão)
- válvula limitadora de pressão (de alívio)
- (^) válvula de seqüência (pressostato)
a) Válvula reguladora de pressão O regulador tem a tarefa de manter constante a pressão de trabalho (secundária) pré- regulada no manômetro, mesmo com a pressão oscilante da rede, afim de ser fornecida estável para os elementos de trabalho. A pressão de entrada deve ser sempre maior do que a de saída.
b) Válvula limitadora de pressão Emprega-se principalmente como válvulas de segurança ou alívio. Não permitem um aumento de pressão no sistema, acima de uma pressão máxima admissível. Alcançada na entrada da válvula a pressão máxima, abre-se sua saída e o ar escapa. A válvula permanece aberta até que a mola montada, após alcançar a pressão pré-regulada, em dependência da linha de marcação, a feche.
7.5. Válvulas de fluxo Estas válvulas influenciam o fluxo do ar comprimido. O fluxo será influenciado em ambas as direções. É vantajoso montar as válvulas reguladoras diretamente no cilindro.
7.6. Válvulas de fechamento Válvulas que abrem e fecham a passagem do fluxo.
