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APOSTILA BÁSICA DE PNEUMÁTICA-
ELETROPNEUMÁTICA-HIDRÁULICA
P N E U M Á T I CA
Pneumática é a ciência que estuda as propriedades físicas do ar e dos gases em geral. O termo pneumático é derivado grego “pneumos” ou “pneuma”, que significa respiração, sopro, e é definido como o segmento da física que se ocupa da dinâmica e dos fenômenos físicos relacionados com os gases e com o vácuo , bem como estuda a conversão de energia produzida pelo ar em energia mecânica, através de seus elementos de trabalho. PNEUMÁTICA É O RAMO DA FÍSICA QUE TRATA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS GASES. Como o próprio nome indica a pneumática trabalha com Ar Comprimido, Hidráulica com óleo. Os Circuitos Hidráulicos e Pneumáticos são muito semelhantes e funciona de maneira parecida, a única diferença é que dentro deles corre o Ar comprimido a baixa pressão fornecido pelo Compressor, ou o Óleo Hidráulico com alta pressão enviado pelas Bombas Hidráulicas. Podemos dizer que quando precisamos de uma pequena força para movimentar pequenos objetos, leves, usamos a Pneumática , enquanto que quando precisamos fazer uma grande força para movimentar grandes objetos, pesados, usamos a Hidráulica. O resultado final da aplicação da força é resultante da baixa pressão encontrada nos circuitos pneumáticos e da alta pressão encontrada nos circuitos hidráulicos. Precisamos estar sempre cientes, que tanto a pneumática quanto a hidráulica são Sistemas de Controle de Força e Movimento.
SISTEMA PNEUMÁTICO
É um mecanismo que funciona com ar comprimido. É composto de tubulações e válvulas cuja função é transformar a pressão do fluido ali confinado, em força mecânica para transmitir movimento controlado. Os circuitos pneumáticos geralmente são utilizados para transmitir movimento em equipamentos que não necessitam de grande esforço de operação, pois sua principal característica é trabalhar com baixa pressão e pouca força de movimentação. Exemplos de atuação da força pneumática: máquinas de manufaturas, abertura e fechamento da porta de ônibus, ferramentas pneumáticas (brocas de dentista), martelo, furadeira, parafusadeira, britadeira, dosadora, lixadeira, soldadora, freio a ar, atuadores lineares e rotativos, motores pneumáticos, válvulas de controle, injetoras, prensas de impacto, sistemas de pintura, robótica e outras infindáveis aplicações.
P R E S S Ã O Pressão é o termo que define quanta força é aplicada numa certa área. A definição técnica de pressão é força por unidade de área. P = F / A. Pressão Absoluta é a pressão medida a partir de um ponto de referência zero ou completo vácuo. É usada para medir pressão atmosférica. Pressão Manométrica é a pressão contida em um circuito, não levando em conta a pressão atmosférica. Pressão diferencial é a diferença entre duas pressões agindo em lados opostos a uma superfície. Unidades de medida de pressão pneumática encontrada nas máquinas industriais: Quilograma- força por centímetro quadrado (kgf/cm2), Libra-força por polegada quadrada (Lb/ pol2) que é igual à Pounds per Square Inch (PSI) no sistema Inglês, Pascal (pa), Bar (bar), Polegada de mercúrio (“Hg), Polegada de água (“H2O), Atmosfera (atm). Tabela de conversão de unidades: 1 Kgf/cm2 = 14,22 PSI; 1 bar = 14,5 PSI; 1PSI = 6894,76 pa; 1 atm = 14,73 PSI = 29,92 “Hg = 100 Kpa.
COMPRESSIBILIDADE
Um volume de ar , quando submetido por uma força exterior, como, por exemplo, um pistão pneumático (cilindro), seu volume inicial será reduzido, o ar fica preso no seu interior com maior pressão, retraindo o pistão, revelando uma de suas propriedades básicas: a compressibilidade , mostrado na figura a seguir:
ELASTICIDADE
A propriedade da elasticidade faz com que uma vez desfeita a força da compressibilidade, a pressão do ar faz com que ele se expanda novamente e o pistão volta ao seu ponto inicial distendido, agora sem pressão nenhuma ou zero de pressão.
EXPANSIBILIDADE
O ar ocupa o lugar onde ele é colocado. Por sua qualidade expansiva, seu volume é variável e ele facilmente se adapta a qualquer recipiente onde é colocado. Sua forma é adaptada de acordo com a pressão que nele é aplicada.
FLUXO DE AR O fluxo produz o movimento. Podemos visualizá-lo cada vez que abrimos uma torneira de água. O fluxo é o movimento do fluido causado pela diferença de pressão em dois pontos. A companhia de água cria uma pressão nos canos e, quando abrimos à torneira, a diferença de pressão força a água para fora. Nos circuitos pneumáticos, os compressores de ar criam à pressão que força o ar a executar um trabalho mecânico. Temos duas formas de medir o fluxo: pela velocidade ou pela vazão. Velocidade do fluido é a velocidade média de suas partículas ao passar por um certo ponto. Ela é medida geralmente em metros por segundo (m/seg.) ou metros por minuto (m/min) e também polegadas por minuto (pol./min) ou pés por minuto (feet/min) no sistema inglês. A vazão é o volume de fluido que passa por um ponto na unidade de tempo. Geralmente é dada em pés cúbicos por minutos ou metros cúbicos por minuto. Na aviação usam-se libras por minuto (PPM – Pounds Per Minute). Poucos são os usuários que têm uma noção de quanto custa o ar comprimido. A maioria o considera uma fonte de energia barata, daí o engano desses usuários. O custo do ar comprimido é de aproximadamente U$ 0,30 para cada 1000 pés cúbicos por minuto ou 28 metros cúbicos por minuto de ar comprimido consumido, para tanto é necessário os técnicos na área estarem conscientes da utilização racional dos equipamentos de compressão de ar.
COMPRESSORES DE AR
Compressores são máquinas destinadas a elevar a pressão de certo volume de ar admitido nas condições atmosféricas, até uma determinada pressão exigida na execução dos trabalhos dos atuadores pneumáticos, e conseqüentemente os impulsores transmitem energia cinética ao ar. Posteriormente, seu escoamento é retardado por meio de difusores, obrigando a uma elevação de pressão.
C ompressor monoestágio de pistÕes Compressor multiestágio de pistões Compressor de Parafusos C ompressor de palhetas Vazão de ar dos compressores Regulagem e acionamento dos compressores O acionamento dos compressores é conforme as necessidades do usuário, podendo 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 para o acionamento um motor a explosão (gasolina ou óleo diesel). Para combinar o volume de fornecimento com o consumo de ar, é necessária uma regulagem dos compressores. Dois valores limites são pré-estabelecidos: pressão Máxima e pressão Mínima, as quais influenciam no volume fornecido. Encontramos, teoricamente, diversas formas de regulagens que vão desde fechamento da sucção do ar até o fechamento do fornecimento de pressão, entretanto a maneira que é mais encontrada na prática é a regulagem intermitente que permite ao compressor funcionar em dois campos: fornecimento em carga e parada total. Na regulagem intermitente, o ar produzido pelo compressor ao atingir a pressão máxima regulada, tem seu motor elétrico desligado por um pressostato (interruptor elétrico sensível à pressão) e ele pára então de fornecer pressão, mantendo a carga já produzida no seu reservatório. À medida que a pressão do ar vai sendo consumida e baixa até um valor mínimo também pré-estabelecido, o pressostato liga novamente o motor elétrico e o compressor começa a trabalhar outra vez, fornecendo a pressão necessária para encher novamente o reservatório.
Refrigeração dos compressores O ar quente resultante da compressão aquece por demasia as paredes do cilindro que alojam o pistão de compressão. MELHOR Lugar de montagem dos compressores A estação de compressores deve ser montada dentro de um ambiente fechado, com proteção acústica devido ao grande barulho por ele produzido. O mantenedor de funcionamento do compressor deve utilizar sempre um abafador nos ouvidos. MANUTENÇÃO DO COMPRESSOR Esta é uma tarefa importante dentro do setor industrial. É imprescindível seguir as instruções recomendadas pelo fabricante, que conhece os pontos vitais de manutenção. Um plano semanal de manutenção será previsto, e nele será programada uma verificação no nível de lubrificação, nos lugares
meio da força centrífuga e depositam-se no fundo do copo. O líquido condensado acumulado no fundo do copo deve ser eliminado, o mais tardar ao atingir a marca do nível máximo, já que se isto não ocorrer, o líquido será arrastado novamente pelo ar que passa. Para tal prática, basta abrir o parafuso de dreno no fundo do copo indicador. Alguns filtros possuem dreno automático. As partículas sólidas, maiores que a porosidade do filtro, serão retidas por este. Com o tempo, o acúmulo destas partículas impede a passagem do ar. Portanto, o elemento filtrante deve ser limpo ou substituído a intervalos regulares.
Regulador de pressão Tem por função manter constante a pressão de trabalho, independente da pressão fornecida pelo compressor de ar ou mesmo do consumo do ar nos pontos de trabalho. A pressão é regulada por meio de uma membrana. Uma das faces da membrana é submetida à pressão de trabalho, enquanto que do outro lado da membrana, atua uma mola cuja pressão é ajustável por meio de um parafuso de regulagem.
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. Segundo este princípio, a diminuição do diâmetro da tubulação por onde passa o ar acarreta um aumento de sua velocidade e por conseqüência acarreta uma queda de pressão na linha de diminuição de área. Com isso, o venturi lubrificador começa a funcionar automaticamente, quando houver fluxo, empurrando o óleo lubrificante para as linhas de utilização do trabalho.
Unidade de condicionamento A unidade de condicionamento é a combinação de um filtro de ar comprimido, um regulador de pressão de ar comprimido e de um lubrificador de ar comprimido, tudo num conjunto único o que facilita a manutenção dos três itens mais importantes para a operação de um sistema pneumático: a filtragem para manter o ar absolutamente limpo, a regulagem da pressão para limitar a carga de trabalho dos equipamentos e a lubrificação das partes móveis dos mecanismos, para manter seus movimentos livres e uniformes, este elemento é normalmente chamado de lubrefil.
DISPOSITIVO DE MEDIÇÃO DE PRESSÃO
O valor da pressão é normalmente indicado com um manômetr o, do qual existe diferentes dispositivos internos de comando, sendo mais usado o tipo “tubo de Bourbon” que consiste de um tubo oco de forma elíptica que tende a se esticar quando lhe é aplicado pressão e, quando cessa esta pressão o tubo volta a sua posição inicial de repouso. Neste tubo é preso um ponteiro que ao se movimentar passa por uma escala graduada de indicação de pressão.
ACIONAMENTO DE ATUADORES PNEUMÁTICOS
Os atuadores pneumáticos, cilindros ou motores, são sempre acionados pelas válvulas direcionais. Veremos a seguir uma série de acionamentos:
ATUADORES PNEUMÁTICOS São dispositivos que convertem a energia (pressão) contida no ar comprimido, em trabalho. Nos circuitos pneumáticos, os atuadores são ligados mecanicamente à carga a ser movimentada e assim, ao ser influenciado pelo ar comprimido, sua energia é convertida em força ou torque, que é transmitida à carga. São os cilindros, os motores pneumáticos. A energia pneumática será transformada, por cilindros pneumáticos, em movimentos retilíneos e pelos motores pneumáticos em movimentos rotativos. Na atuação linear encontramos na pneumática os seguintes tipos de cilindros: cilindro de ação simples (retorno por mola), cilindro de ação dupla com haste simples, cilindro de ação dupla com haste dupla e eventualmente algum outro tipo de cilindro semelhante a um destes citados, porém com alguma variação interna, como veremos mais adiante.
CLASSIFICAÇÃO DOS ATUADORES PNEUMÁTICOS
Estão divididos em três grupos: -Os que produzem movimentos lineares: são constituídos de componentes que convertem a energia pneumática em movimento linear ou angular. São representados pelos Cilindros Pneumáticos. Dependendo da natureza dos movimentos, velocidade, força ou tipo, haverá um tipo adequado para cada função. -Os que produzem movimentos rotativos: convertem a energia pneumática em energia mecânica, através de momento torsor (torque) contínuo. São representados pelos Motores Pneumáticos e as Turbinas Pneumáticas. -Os que produzem movimentos oscilantes: convertem energia pneumática em energia mecânica, através do movimento torsor (torque) limitado por um número de graus ou movimentos. São representados pelos Osciladores Pneumáticos ou Atuadores Giratórios.
CRITÉRIOS PARA SELEÇÃO DE ATUADOR
PNEUMÁTICO
- Tipo de movimento a executar: rotativo ou linear
- Sentido de rotação e inversão
Número de rotações e velocidade
- Torque e Força a executar
- Potência a desenvolver
- Uniformidade da força e velocidade
- Características em relação às influências ambientais internas e externas
- Aspectos ergonométricos ATUADORES LINEARES – CILINDROS PNEUMÁTICOS cilindros se diferenciam entre si por detalhes construtivos, em função de suas características de funcionamento e utilização. Basicamente, existem dois tipos de cilindros:
Simples ação ou dupla ação. Além de outros O cilindro de simples ação recebe esta denominação porque utiliza ar comprimido para conduzir trabalho em um único sentido do movimento, seja para avanço ou retorno. Quando um cilindro pneumático utiliza ar comprimido para produzir trabalho em ambos os sentidos de movimento (avanço e retorno), diz-se que é um cilindro de Dupla, o tipo mais comum de utilização. O avançamento da haste do cilindro sempre vai ter mais força que o retorno por possuir uma área maior, veja o exemplo abaixo. Um cilindro de dupla ação possui o diâmetro de êmbolo de 80 mm e o diâmetro de haste de 25 mm. A pressão de trabalho do cilindro é de 6 bar (60 N/cm2). Quais são as forças teóricas que ele desenvolve no curso de avanço e retorno? Solução: calcular as áreas maior e menor do cilindro
Exemplos a seguir:
NÚMERO VIAS DAS VÁLVULAS DIRECIONAIS
As vias das válvulas direcionais são as suas ligações de ar, conectadas através das tubulações provenientes dos mais diversos locais do circuito. São representadas externamente através de traços contínuos, onde serão conectadas as mangueiras de ar. Internamente, são representadas através de setas direcionais que indicam o caminho seguido pelo ar, na posição (quadradinho) desenhada. Uma regra básica é que o ar segue sempre na direção da seta, nunca contra ela. Podemos encontrar, também, internamente o símbolo de bloqueio de ar que indica a NÃO passagem do mesmo na posição (quadradinho) desenhada. As letras ao lado das vias significam: P = pressão, A = utilização (alternada), B = utilização (alternada), S = escape. Exemplos:
Vias das válvulas direcionais
As válvulas direcionais são comandadas através de sinais elétricos ou mecânicos. Exemplo da atuação de uma válvula direcional de 3 posições.
SIMBOLOGIA PARA AS
VÁLVULAS DIRECIONAIS
VALVULAS AUXILIARES
Válvula reDUTORA de fluxo VARIÁVEL COM RETENÇÃO Também conhecida como "válvula reguladora de velocidade", nesta válvula a regulagem de fluxo é feita somente em uma direção. Uma válvula de retenção fecha a passagem numa direção e o ar pode fluir somente através da área regulada. Em sentido contrário, o ar passa livre através da válvula de retenção aberta. Empregam-se estas válvulas para a regulagem da velocidade em cilindros ou motores pneumáticos. Regulagem da entrada do ar (regulagem primária) Nesta situação, a regulagem de fluxo é feita somente no sentido de pressão do ar para a unidade acionadora (cilindro pneumático). O retorno do ar é livre, através da válvula de retenção. Regulagem de Exaustão (regulagem secundária) A regulagem é feita na exaustão do ar que volta do cilindro pneumático. Na entrada da pressão, a válvula de retenção permite o fluxo livre. OBS. - a válvula reguladora de fluxo melhora em muito, a conduta do avanço dos cilindros pneumáticos, é comumente encontrada em suas linhas de atuação, e deve ser posicionada sempre na linha de exaustão do ar.
VÁLVULA LIMITADORA DE PRESSÃO
São as válvulas de alívio de pressão que limitam a pressão de ar do circuito pneumático, em caso de falha do regulador de pressão. Sua regulagem deverá estar sempre acima da pressão de trabalho do regulador e, em caso de falha deste, ela entrará em funcionamento limitando a pressão do circuito. O excesso de ar é enviado à atmosfera.
Válvula alternadora OU ISOLAMENTO (função lógica "ou")
Também chamada "válvula de comando duplo ou válvula de dupla retenção". Esta válvula tem duas entradas, X e Y, e uma saída A. Entrando ar comprimido em X, a esfera fecha a entrada Y e o ar flui de X para A. Em sentido contrário, quando o ar flui de Y para A e a entrada X será fechada. Esta válvula também seleciona os sinais das válvulas pilotos proveniente de diversos pontos e evita o escape do ar através de uma segunda válvula. Ela é muito utilizada quando se precisa garantir o acionamento de um cilindro pneumático, por duas fontes distintas. Estando no caminho de atuação do cilindro, ela garante sempre seu acionamento por qualquer uma das fontes (muito útil em situações de emergências). Ver figura no final da apostila.
Válvula ALTERNADORA (função lógica "E") Assim como na válvula de isolamento, também possui três orifícios no corpo. A diferença se d· em função de que o ponto de utilização ser· atingido pelo ar, quando duas pressões, simultaneamente ou não, chegarem às entradas. O que primeiro chegar, ou ainda a de menor pressão, se autobloquear·, dando passagem para o outro sinal. São utilizadas em funções lógicas "E", bi manuais simples ou garantias de que um determinado sinal só ocorra após, necessariamente, dois pontos estarem pressurizados.
ATUADORES LINEARES (CILINDROS)
C O M A N D O S D A S V Á L V U L A S D I R E C I O N A I S
Por solenóide (eletricamente)
V Á L V U L A S DE C O N T R O L E DE P R E S S Ã O
C O M P O N E N T E S D E V Á C U O
V Á L V U L A S D E F L U X O
C O N D U T O R E S
C O M P R E S S O R E M O T O R E S
HIDRÁULICA
O termo Hidráulica derivou-se da raiz grega Hidro, que tem o significado de água, por essa razão entendem- se por Hidráulica todas as leis e comportamentos relativos à água ou outro fluido, ou seja, Hidráulica é o estudo das características e uso dos fluidos sob pressão. Divisões da Hidráulica e aplicações
Definição de Pressão Pressão é a força exercida por unidade de superfície. Em hidráulica, a pressão é expressa em kgf/cm2, atm ou bar. A pressão também poderá ser expressa em psi (Pound per square inch) que significa libra força por polegada quadrada, abrevia-se lbf/pol2.
Lei de Pascal A pressão exercida em um ponto qualquer de um líquido estático é a mesma em todas as direções e exerce forças iguais em áreas iguais. Vamos supor um recipiente cheio de um líquido, o qual é praticamente incompressível. Princípio da Prensa Hidráulica (multiplicação de força)
Velocidade x Vazão Nos sistemas dinâmicos, o fluido que passa pela tubulação se desloca a certa velocidade. Esta é a velocidade do fluido, que de modo geral é medida em centímetros por segundo (cm/ seg.). O volume do fluido passando pela tubulação em um determinado período de tempo é a vazão (Q = V.A), em litros por segundo (l/s). Para encher um recipiente de 20 litros em um minuto, o volume de fluido em um cano de grande diâmetro deve passar a uma velocidade de 300 cm/s. No tubo de pequeno diâmetro, o volume deve passar a uma velocidade de 600 cm/s para encher o recipiente no tempo de um minuto. Em ambos os casos a vazão é de 20 litros/minuto, mas as velocidades do fluido são diferentes.
Grupo de acionamento e reservatório hidráulico A função de um reservatório hidráulico é conter ou armazenar o fluido hidráulico de um sistema. Do que consiste um Reservatório Hidráulico Os reservatórios hidráulicos consistem de quatro paredes (geralmente de aço); uma base abaulada; um topo plano com uma placa de apoio, quatro pés; linhas de sucção, retorno e drenos; plugue do dreno; indicador de nível de óleo; tampa para respiradouro e enchimento; tampa para limpeza e placa defletora (Chicana).
Filtros hidráulicos Todos os fluidos hidráulicos contêm certa quantidade de contaminantes. A necessidade do filtro, no entanto, não é reconhecida na maioria das vezes, pois o acréscimo deste componente particular não aumenta, de forma aparente, a ação da máquina. Bombas hidráulicas: Generalidades As bombas são utilizadas nos circuitos hidráulicos, para converter energia mecânica em energia hidráulica. A ação mecânica cria um vácuo parcial na entrada da bomba, o que permite que a pressão atmosférica force o fluido do tanque, através da linha de sucção, a penetrar na bomba. A bomba passará o fluido para a abertura de descarga, forçando-o através do sistema hidráulico. Tipos de bombas:
Bombas de engrenagens externas Bombas de engrenagens internas Bomba Tipo Gerotor Bombas de Palheta Bombas de pistão Bombas de Pistão Axial de Volume Variável Bombas de Pistões Radiais
VÁLVULAS DE CONTROLE DE PRESSÃO As válvulas, em geral, servem para controlar a pressão, a direção ou o volume de um fluido nos circuitos hidráulicos. As válvulas que estudaremos nesta unidade são do tipo controladoras de pressão, que são usadas na maioria dos sistemas hidráulicos industriais. Essas válvulas são utilizadas para: F 0 B 7Limitar a pressão máxima de um sistema; F 0 B 7Regular a pressão reduzida em certas partes dos circuitos; F 0 B 7Outras atividades que envolvem mudanças na pressão de operação. As válvulas controladoras de pressão são usualmente assim chamadas por suas funções primárias abaixo relacionadas. F 0 B 7Válvula de Segurança F 0 B 7Válvula de Seqüência F 0 B 7Válvula de Descarga F 0 B 7Válvula Redutora de Pressão F 0 B 7Válvula de Frenagem F 0 B 7Válvula de Contrabalanço
Válvula de Contrabalanço no Circuito Num circuito de uma prensa, quando a válvula direcional remete fluxo para o lado traseiro do atuador, o peso fixado à haste cairá de maneira incontrolável. O fluxo da bomba não conseguirá manter-se. Para evitar esta situação, uma válvula de pressão normalmente fechada é instalada abaixo do cilindro da prensa. O carretel da válvula não conectará as vias principal e secundária até que uma pressão, que é transmitida à extremidade do carretel, seja maior do que a pressão desenvolvida pelo peso (isto é, quando a pressão do fluido estiver presente no lado traseiro do pistão). Deste modo, o peso é contrabalanceado em todo o seu curso descendente.
Valvulas direcionais Válvulas de Centro Aberto no Circuito Uma condição de centro aberto permite o movimento livre do atuador enquanto o fluxo da bomba é devolvido ao tanque a uma pressão baixa.As válvulas de 4 vias, de centro aberto, são muitas vezes usadas em circuitos de atuadores simples. Nestes sistemas, depois do atuador completar o seu ciclo, o carretel da válvula direcional é centralizado e o fluxo da bomba retorna ao tanque a uma pressão baixa. Ao mesmo tempo, o atuador fica livre para se movimentar. Uma desvantagem da válvula de centro aberto é que nenhum outro atuador pode ser operado quando a válvula estiver centrada. Condição de Centro Fechado Uma válvula direcional com um carretel de centro fechado tem as vias P, T, A e B, todas bloqueadas na posição central.
