Apostila pneumatica, Manuais, Projetos, Pesquisas de Pneumática

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CURSO TÉCNICO EM MECÂTRONICA

HIDROPNEUMÁTICA

Apostila de Pneumática

PROFESSOR: BRUNO BRASSELOTTI

SUMARÉ-SP

JULHO – 2012

REVISÃO 01

• 1. Introdução.......................................................................................................................
• 2. Comportamento do ar comprimido
  • 2.1. Compressibilidade
  • 2.2. Elasticidade
  • 2.3. Difusibilidade
  • 2.4. Expansibilidade
  • 2.5. Peso do ar
• 3. Sistema de medidas
• 4. Produção, Preparação e Distribuição de Ar Comprimido
  • 4.1. Qualidade do Ar Comprimido
  • 4.2. Sistema de Produção e Preparação do Ar Comprimido
  • 4.3. Compressores
  • 4.3.1 Compressor de Êmbolo.............................................................................................
  • 4.3.2 Compressores Rotativos
  • 4.3.3 Compressor Parafuso
  • 4.3.4 Compressor Roots
  • 4.3.5 Turbo compressores axial
  • 4.3.6 Turbo compressores radial......................................................................................
  • 4.4. Secagem do ar comprimido
  • 4.4.1 Secagem por Refrigeração
  • 4.4.2 Secagem Por Absorção
  • 4.4.3 Secagem Por Adsorção
  • 4.5. Distriubuição do ar comprimido..............................................................................
  • 4.5.1 Filtro
  • 4.5.2 Válvula reguladora de pressão
  • 4.5.3 Lubrificador
• 5. Atuadores Pneumáticos
  • 5.1. Componentes mecânicos de um cilindro
  • 5.1.1 Cilindros de simples ação
  • 5.1.2 Cilindros de dupla ação
  • 5.1.3 Cilindro de haste passante
  • 5.1.4 Cilindro de múltiplas posições
  • 5.1.5 Cálculo para dimensionamento de cilindro
• 6. Motores Pneumáticos
  • 6.1. Motores Rotativos
  • 6.1.1 Motor de Palhetas
  • 6.1.2 Motor de Engrenagens e Motor Roots.....................................................................
  • 6.2 Motores de Pistões
  • 6.2.1 Motor de Pistões Radiais
  • 6.2.2 Motor de Pistões Axiais
  • 6.2. Motores de Turbina................................................................................................
• 7. Elementos de sinal e comando pneumático
  • 7.1. Válvulas direcionais
  • 7.2. Válvulas de Bloqueio
  • 7.3. Válvula de pressão
  • 7.4. Válvula de Controle de Fluxo
• 8. Diagrama trajeto passo
• 9. Eletropneumática
• 10. Bibliografia

A seguir são apresentados os conceitos de geração, preparação e distribuição de ar comprimido, atuadores e válvulas que compõem os sistemas pneumáticos, além de outros dispositivos.

2. Comportamento do ar comprimido

2.1. Compressibilidade

O ar tem a propriedade de ocupar todo o volume de qualquer recipiente, adquirindo ser formato, já que não forma própria. Assim podemos fechá-lo em um recipiente com volume determinado e posteriormente provocar-lhe uma redução de volume usando uma força exterior.

2.2. Elasticidade

Possibilita ao ar voltar ao seu volume inicial assim que instinto a força responsável pela redução.

2.3. Difusibilidade

Permite misturar-se homogeneamente com qualquer meio gasoso que não esteja saturado.

2.4. Expansibilidade

Ocupa totalmente o volume de qualquer recipiente, adquirindo seu formato.

2.5. Peso do ar

Como toda matéria o ar tem peso. Um litro de ar, a 0ºC e ao nível do mar, pesa 1,293 x 10-3^ kgf.

Exercícios:

1. Converta: 150 bar = psi 300 psi = kgf/cm² 15 atm = psi 195 lb/pol^2 = bar 3,5 kgf/cm^2 = lb/pol^2 35 lb/pol^2 = kgf/cm^2 4. Produção, Preparação e Distribuição de Ar Comprimido

4.1. Qualidade do Ar Comprimido

Os equipamentos pneumáticos (principalmente as válvulas) são constituídos de mecanismos muito delicados e sensíveis e para que possam funcionar de modo confiável, com bom rendimento, é necessário assegurar determinadas exigências de qualidade do ar comprimido, entre elas:

• Pressão
• Vazão
• Teor de água
• Teor de partículas sólidas
• Teor de óleo

As grandezas de pressão e vazão estão relacionadas diretamente com a força e velocidade, respectivamente, do atuador pneumático. Cada componente pneumático tem sua especificação própria de pressão e vazão de operação. Para atender a essas especificações é necessário suficiente vazão no compressor, correta pressão na rede e tubulação de distribuição corretamente dimensionada em função da vazão. Já água, óleo e impurezas têm grande influência sobre a durabilidade e confiabilidade de componentes pneumáticos. O óleo em particular é usado para lubrificar os mecanismos dos sistemas pneumáticos. Dependendo da aplicação as exigências do ar com relação à água, óleo e impurezas são diferentes.

Assim o ar deve passar por um tratamento rigoroso, que envolve filtros, secadores e lubrificadores, antes de ser distribuído na fábrica.

4.2. Sistema de Produção e Preparação do Ar Comprimido

A figura abaixo mostra as etapas que o ar comprimido passa desde a sua geração e tratamento até ser distribuído nas máquinas. Em geral, o ar comprimido é produzido de forma centralizada e distribuído na fábrica. Para atender às exigências de qualidade, o ar após ser comprimido sofre um tratamento que envolve:

• Filtração
• Resfriamento
• Secagem
• Separação de impurezas sólida e líquidas inclusive vapor d'água

Nessa figura cada equipamento por onde o ar passa é representado, por um símbolo. Em pneumática existe uma simbologia para representar todos os equipamentos pneumáticos. Assim estão representados na figura, por exemplo, os símbolos do filtro, compressor, motor (elétrico ou de combustão), resfriador, secador e reservatório. No exemplo dado vemos que o ar é aspirado pelo compressor, que é a máquina responsável por comprimir o ar. A taxa de compressão é em geral 1:7, ou seja, o ar atmosférico à 1 bar é comprimido para 7 bar. Na entrada do compressor existe um filtro para reter partículas sólidas do ar do meio ambiente. Ao ser comprimido, o ar aquece aumentando a temperatura. Assim é necessário resfriá-lo, pois a alta temperatura pode danificar a tubulação. Após o resfriamento o ar passa

Os compressores de êmbolo e rotativo se caracterizam por comprimir mecanicamente um volume fixo de ar em cada ciclo. Já o turbo-compressor comprime o ar forçando o seu escoamento por um bocal (difusor), ou seja, transforma a sua energia cinética em energia de pressão.

4.3.1 Compressor de Êmbolo

Consiste num mecanismo biela-manivela (igual ao motor de um automóvel) acionado por um motor elétrico ou de combustão.

Nesse compressor, o pistão aspira o ar através da válvula de aspiração e o comprime no curso de compressão até atingir a pressão desejada quando abre a válvula de pressão. São os mais usados ("compressor do dentista"), pois tem uma larga faixa de operação. São econômicos na faixa de pressão de 8 a 10 bar. Quando a razão de compressão necessária é muito alta ocorrem perdas térmicas muito altas, e nesse caso deve-se usar a versão multiestágio, em que a cada estágio ocorre um aumento da pressão melhorando-se o rendimento. Em torno de cada pistão existem aletas para a dissipação do calor gerado na compessão. Em alguns casos é necessário um sistema de refrigeração à água. Esse compressor apresenta como desvantagem a geração de oscilações de pressão além de um fluxo de ar pulsante. Uma variação desse compressor, chamado compressor de membrana, possui uma membrana ao invés de um pistão. A idéia é isolar o ar a ser comprimido das

peças do compressor evitando resíduos de óleo. É muito utilizado nas indústrias alimentícias e farmacêuticas, por exemplo.

4.3.2 Compressores Rotativos

Trata-se de um rotor que gira no interior de uma carcaça acionado por um motor elétrico ou de combustão. O rotor está excêntrico à carcaça e apresenta palhetas ao seu redor que podem deslizar em guias.

Note que o volume de ar aspirado é ligeiramente comprimido ao longo do percurso do rotor. Dessa forma, o fluxo gerado é pouco pulsante, mas opera em faixas de pressão menores do que a do compressor de êmbolo. A lubrificação é feita por injeção de óleo.

4.3.5 Turbo compressores axial

O ar passa por rodas girantes atinge altas velocidades e no último estágio, através de um difusor, a energia cinética do fluxo de ar é convertida em pressão. Geram altas vazões de ar, porém como em cada estágio a pressão é muito baixa faz se necessário a montagem de muitos estágios para alcançar pressões maiores.

4.3.6 Turbo compressores radial

A aspiração ocorre no sentido axial sendo o ar conduzido no sentido radial para a saída. Apresentam as mesmas características dos compressores axiais (altas vazões e baixas pressões).

4.4. Secagem do ar comprimido

A aquisição de um secador de ar comprimido pode figurar no orçamento de uma empresa como um alto investimento, um secador chegava a custar 25% do valor total da instalação de ar. Mas cálculos efetuados mostravam também os prejuízos causados pelo ar úmido: substituição de componentes pneumáticos, filtros, válvulas, cilindros danificados, impossibilidade de aplicar o ar em determinadas operações como pintura, pulverizações e ainda mais os refugos causados na produção de produtos. Concluiu-se que o emprego do secador tornou-se altamente lucrativo, sendo pago em pouco tempo de trabalho, considerando-se somente as peças que não eram mais refugadas pela produção. Os meios utilizados para secagem do ar são múltiplos. Vamos nos referir aos três mais importantes, tanto pelos resultados finais obtidos quanto por sua maior difusão.

4.4.1 Secagem por Refrigeração

O método de desumidificação do ar comprimido por refrigeração consiste em submeter o ar a uma temperatura suficientemente baixa, a fim de que a quantidade de água existente seja retirada em grande parte. Além de remover a água, provoca, no compartimento de resfriamento, uma emulsão com o óleo lubrificante do compressor, auxiliando na remoção de certa quantidade.

de umidade, permite a liberação de água quando submetida a um aquecimento regenerativo.

4.5. Distriubuição do ar comprimido

As tubulações pneumáticas exigem manutenção regular, razão pela qual não devem, dentro do possível, serem mantidas dentro de paredes ou cavidades estreitas, pois isto dificulta a detecção de fugas de ar. Pequenos vazamentos são causas de consideráveis perdas de pressão. Existem três tipos de redes de distribuição de pressão principais:

• Rede em circuito aberto
• Rede em circuito fechado
• Rede combinada Essas linha principais são feitas de tubos de Cobre, latão, aço liga, etc… Conectadas às linhas principais estão as linhas secundárias, em geral, mangueiras de borracha ou material sintético. A rede em circuito aberto é a mais simples e deve ser montada com um declive de 1% a 2% na direção do fluxo para garantir a eliminação da água que condensa no interior da linha. Isso ocorre porque o ar fica parado no interior da linha quando não há consumo.

Já a rede em circuito fechado permite que o ar flua nas duas direções e que fique circulando na linha reduzindo o problema de condensação.

As redes combinadas, também são instalações em circuito fechado. No entanto, mediante as válvulas de fechamento existe a possibilidade de bloquear determinadas linhas de ar comprimido quando a mesmas não forem usadas ou quando for necessário colocá-las fora de serviço por razões de manutenção. Há uma estanqueidade da rede portanto.

Em todas as configurações de rede por causa da formação de água condensada (maior ou menor) é fundamental instalar a tomada de ar das tubulações de ar secundárias na parte superior do tubo principal. Desta forma evita-se que a água condensada, eventualmente existente na tubulação principal possa chegar aos ramais secundários. Para interceptar e drenar a água condensada devem ser instaladas derivações com drenos na parte inferior da tubulação principal.

4.5.2 Válvula reguladora de pressão

Essa válvula tem a função de manter constante a pressão no equipamento. Ela somente funciona quando a pressão a ser regulada (pressão secundária) for inferior que a pressão de alimentação da rede (pressão primária). Assim essa válvula pode reduzir a pressão, mas jamais aumentá-la.

O seu funcionamento ocorre da seguinte forma. Se a pressão secundária diminuir em relação a um valor especificado a mola 2 empurra o êmbolo 6 que abre a comunicação com a pressão primária. Se a pressão secundária aumenta, em relação a um valor especificado (por exemplo, devido à um excesso de carga no atuador) então a membrana 1 é atuada pressionando a mola 2 e o êmbolo 6 fecha a comunicação até que a pressão secundária diminua. Se a pressão secundária aumentar demais, então além de ocorrer a situação anterior, a membrana 1 se separa do êmbolo 6, abrindo a comunicação com os furos de exaustão, ocorrendo o escape de ar, o que reduz a pressão secundária. O parafuso 3 permite regular a rigidez da mola 2 e portanto a pressão secundária. Logicamente essa válvula gera uma oscilação de pressão na sua saída (pressão secundária), no entanto tanto menor será essa oscilação quanto melhor forem dimensionados os componentes da válvula.

4.5.3 Lubrificador

A lubrificação do ar comprimido é feita através do lubrificador que abastece os elementos pneumáticos com óleo lubrificante. Os lubrificantes reduzem as forças de atrito ao mínimo, protegem os elementos móveis contra o desgaste e evitam a corrosão os aparelhos. Os lubrificantes geralmente funcionam pelo princípio venturi. Neste sistema de lubrificação, a diferença de pressão, entre a pressão antes do local pulverizador e, a pressão de estrangulamento do bocal, suga o óleo do reservatório, pulverizando-o na corrente de ar. Aparelho lubrificador só entra em funcionamento quando há um fluxo de ar suficiente para provocar a depressão que suga o lubrificante do reservatório. Desta forma, é muito importante que se preste atenção aos valores de vazão (fluxo) indicados pelo fabricante do aparelho.

5. Atuadores Pneumáticos

Os atuadores pneumáticos são classificados em atuadores lineares que geram movimentos lineares e atuadores rotativos que geram movimentos rotativos que serão descritos a seguir. As principais características dos atuadores pneumáticos são:

• Apresentam baixa rigidez devido à compressibilidade do ar;