Sistemas Pneumáticos: Conceitos, Instalação e Aplicações, Resumos de Máquina Hidráulica

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B rasília-DF.

Instalações P neumátIcas e

eletroPneumátIcas IndustrIaIs

Elaboração

Nathamy Freitas Alves

Produção

Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração

Apresentação

Caro aluno

A proposta editorial deste Caderno de Estudos e Pesquisa reúne elementos que se entendem necessários para o desenvolvimento do estudo com segurança e qualidade. Caracteriza-se pela atualidade, dinâmica e pertinência de seu conteúdo, bem como pela interatividade e modernidade de sua estrutura formal, adequadas à metodologia da Educação a Distância – EaD.

Pretende-se, com este material, levá-lo à reflexão e à compreensão da pluralidade dos conhecimentos a serem oferecidos, possibilitando-lhe ampliar conceitos específicos da área e atuar de forma competente e conscienciosa, como convém ao profissional que busca a formação continuada para vencer os desafios que a evolução científico-tecnológica impõe ao mundo contemporâneo.

Elaborou-se a presente publicação com a intenção de torná-la subsídio valioso, de modo a facilitar sua caminhada na trajetória a ser percorrida tanto na vida pessoal quanto na profissional. Utilize-a como instrumento para seu sucesso na carreira.

Conselho Editorial

Organização do Caderno

de Estudos e Pesquisa

Para facilitar seu estudo, os conteúdos são organizados em unidades, subdivididas em capítulos, de forma didática, objetiva e coerente. Eles serão abordados por meio de textos básicos, com questões para reflexão, entre outros recursos editoriais que visam tornar sua leitura mais agradável. Ao final, serão indicadas, também, fontes de consulta para aprofundar seus estudos com leituras e pesquisas complementares.

A seguir, apresentamos uma breve descrição dos ícones utilizados na organização dos Cadernos de Estudos e Pesquisa.

Provocação Textos que buscam instigar o aluno a refletir sobre determinado assunto antes mesmo de iniciar sua leitura ou após algum trecho pertinente para o autor conteudista.

Para refletir Questões inseridas no decorrer do estudo a fim de que o aluno faça uma pausa e reflita sobre o conteúdo estudado ou temas que o ajudem em seu raciocínio. É importante que ele verifique seus conhecimentos, suas experiências e seus sentimentos. As reflexões são o ponto de partida para a construção de suas conclusões.

Sugestão de estudo complementar

Sugestões de leituras adicionais, filmes e sites para aprofundamento do estudo, discussões em fóruns ou encontros presenciais quando for o caso.

Atenção

Chamadas para alertar detalhes/tópicos importantes que contribuam para a síntese/conclusão do assunto abordado.

Introdução

Os fluidos sob pressão passaram a ser usados em ambientes industriais a partir da Segunda Guerra Mundial. No Brasil, a partir da década de 60, essas aplicações se propagaram com a chegada da indústria automobilística, com a necessidade cada vez maior da automatização e racionalização dos processos de trabalho. O uso de fluido sob pressão se dividiu em dois grupos no ramo industrial: o fluido hidráulico (fluido líquido sob pressão) e o fluido pneumático (fluido gasoso sob pressão), que será um dos temas a ser estudado neste livro.

De acordo com a Norma ISO 8778 – Pneumaticfluidpower – nos sistemas fluidos pneumáticos, a energia é transmitida e controlada por um gás, normalmente o ar comprimido sob pressão dentro de um circuito.

Um compressor gera a fonte de ar comprimido alimentando os circuitos pneumáticos, que englobam válvulas de pressão, cilindros interligados, sensores, controladores e outros componentes com o objetivo de transmitir energia de um local para outro e, consequentemente, produzir movimento rotativo ou linear ou aplicar uma força. O uso da pneumática em aplicações industriais tem fundamental importância, possui vantagens em termos de custo iniciais, baixo custo de manutenção, segurança (pois podem ser usados em ambientes explosivos por não gerar faíscas), confiabilidade, simplicidade de instalação e um maior rendimento.

Existem diversas aplicações da pneumática atualmente, ela pode estar presente inclusive na nossa vida diária, como em acionamento de portas de ônibus urbanos ou trens de metrô, parafusadeiras, lixadeiras, broca de dentista, pistola de pintura e também no meio industrial como prensas pneumáticas, robôs industriais, sistemas automatizados para alimentação de peças, entre outros diversos exemplos.

Além do ar comprimido, um outro tipo de alimentação indispensável no campo industrial é a energia elétrica.

Os sistemas eletropneumáticos são a combinação da energia elétrica com a energia pneumática nos processos industriais. Os sistemas eletropneumáticos integram tecnologias pneumáticas e elétricas em um sistema em que o meio de sinal ou controle é elétrico e o meio de trabalho é ar comprimido. Nesse tipo de sistema, dispositivos como relés, válvulas solenoides, chaves fim de curso e controlador lógico programável (CLPs) podem ser usados para interligar o controle elétrico com ação pneumática.

Segundo Fialho, em muitos sistemas eletropneumáticos, o dispositivo sendo controlado é uma válvula direcional acionada eletricamente. Essas válvulas de controle fornecem pressão de ar para dispositivos como cilindros que estendem ou retraem uma haste quando a pressão é aplicada ou removida. Os solenoides incorporados são usados para abrir e fechar essas válvulas e são ativados com sinais de tensão CA ou CC.

Nosso estudo será dividido em três unidades, por meio das quais veremos conceitos básicos da pneumática, dimensionamento da tubulação, circuitos pnumáuticos, conceitos básicos da eletropneumática e circuitos eletropneumáticos. Cada unidade será dividida em capítulos. Assim, teremos:

» Unidade I – Instalações pneumáticas: no Capítulo 1, serão contextualizadas as caracteristicas gerais dos sistemas pneumáticos, nos quais sãp apresentados conceitos basicos, na sequência rede de distruibuição e layout (Capítulo 2) e o dimensionamento da tubulação da rede de distribuição (Capítulo 3).

» Unidade II – Circuitos pnumáticos: no Capítulo 1 desta unidade serão apresentados os conceitos pertinenetes à elaboração de circuitos pneumáticos, nos quais se da ínicio a circuitos com um único atuador. Em seguinda, são contextualizadas as técnicas de comando para circuitos pneumáticos (Capítulo 2), expondo os principais métodos utilizados para a montagem de circuitos com vários atuadores.

» Unidade III – Eletropneumática: no Capítulo 1 desta unidade as características gerais dos sistemas eletropneumáticos são apresentadas, na sequência são abordadas a teoria para elaboração de circuitos eletropneumáticos com um único atuador (Capítulo 2) e, em seguida, as técnicas de comando necessárias para elaboração de circuitos eletropneumáticos com vários atuadores.

Objetivos

Objetivo geral

» Permitir à(ao) aluna(o) a compreensão e domínio dos conceitos e métodos de pneumática e eletropneumática, de forma a efetuar a sua devida aplicação na vida profissional e torná-la(o) capaz e hábil em projetar e conduzir experimentos e interpretar resultados.

INSTALAÇÕES UNIDADE I PNEUMÁTICAS

CAPÍTULO 1

Características gerais dos sistemas

pneumáticos

A pneumática refere-se à ciência e tecnologia que trata do uso do ar ou gases neutros como meio de transmissão de potência.

A grande maioria dos sistemas pneumáticos usa ar atmosférico comprimido como meio de operação (um pequeno número de sistemas usa nitrogênio). Os métodos de transmissão de energia pneumática são geralmente a melhor maneira de mover peças e ferramentas. Em instalações industriais, o ar comprimido é considerado frequentemente como a quarta aplicação industrial mais utilizada, perdendo apenas para eletricidade, gás natural e a água. O ar comprimido em comparação com a eletricidade é mais caro, porém os custos iniciais e de manutenção são mais baixos, o que torna a pneumática a opção mais popular e econômica, tornando difícil superar a simplicidade e a confiabilidade.

A Tabela 1 mostra algumas vantagens dos sistemas pneumáticos comparados a sistemas hidráulicos e elétricos.

Tabela 1. Comparação entre os sistemas pneumáticos, hidráulico e elétrico. CARACTERISTICAS PNEUMÁTICA HIDRÁULICA ELÉTRICA Complexidade Simples Média Média/Alta Armazenamento de energia Bom (reservatório) Limitado (acumulador) Limitado (baterias) Tamanho (Força) Baixo Muito baixo Médio Controle Válvulas simples Válvulas simples Controlador eletrônico Precisão da posição Bom Bom Melhor Velocidade Rápido Lento Rápido Custo Baixo Alto Alto Custo operacional Médio Alto Baixo Custo de manutenção Baixo Alto Baixo

INSTALAÇÕES PNEUMÁTICAS │ UNIDADE I

Algumas limitações também são ressaltadas a seguir:

» Preparação : o ar comprimido deve ter uma boa preparação antes do uso para garantir a ausência de vapor de água ou impurezas. Caso contrário, as partes móveis dos componentes pneumáticos podem se desgastar rapidamente devido ao atrito.

» Compressibilidade : não é possível manter constantes as velocidades de elementos de trabalho.

» Escape de ar : o ar, quando espalhado na atmosfera ambiente, pode produzir um ruído alto, porém esse problema pode ser resolvido com silenciadores.

» Custos : o ar comprimido é uma fonte de energia muito cara. Porém o alto custo de energia é compensado pelo custo baixo da instalação e pela rentabilidade do ciclo de trabalho.

» Baixo carregamento: como os cilindros dos componentes pneumáticos não são muito grandes, um sistema pneumático não pode alimentar cargas muito pesadas.

Um sistema pneumático pode ser divido em duas etapas tecnológicas distintas. A primeira é a fonte de ar comprimido que consiste na produção, condicionamento e distribuição do ar comprimido. O ar passa por processo de filtragem, compressão e secagem, assim como um dimensionamento dos componentes para realizar essas funções. Na segunda etapa, o ar alimenta os circuitos pneumáticos que incluem válvulas, cilindros, sensores, controladores etc. que convertem energia pneumática em forma de energia mecânica.

A Figura 1 apresenta um conceito geral dos componentes básicos de um sistema pneumático. O ar é retirado da atmosfera por meio de um filtro de ar, em seguida, é levado ao compressor (geralmente acionado por um motor de corrente alternada ou motor de combustão interna), que aumenta a pressão do ar (a pressão do ar pode ser de quase 90 libras por polegada quadrada maior que a pressão atmosférica) reduzindo seu volume. A temperatura do ar é consideravelmente aumentada por esse compressor. O ar também contém uma quantidade significativa de vapor de água. Antes que o ar possa ser usado, ele deve ser resfriado, o que pode resultar na formação de condensação. Assim, o compressor de ar deve ser seguido por um refrigerador e uma unidade de tratamento de ar. Em seguida, o ar com a pressão necessária é levado a um recipiente hermeticamente fechado (reservatório), o ar então passa por um

UNIDADE I │ INSTALAÇÕES PNEUMÁTICAS

mecanismo (válvula de retenção) que retém o ar dentro do reservatório impedindo que ele retorne ao local de origem. Um pressostato, montado no reservatório de ar, aciona o motor do compressor quando a pressão cai e para novamente quando a pressão atinge o nível requerido. A válvula fornece ar ao cilindro, e o ar de retorno é simplesmente ventilado para a atmosfera, a força do cilindro no eixo é determinada pela pressão do ar e pela área transversal do pistão, com isso ocorre a transmissão de energia (PARR, 2011).

Figura 1. Componentes básicos de um sistema pneumático.

Pistão

Cilindro

Haste do pistão

Impulso para mover uma carga

Válvula de controle

Escape

Pressostato

Motor elétrico

Ar Filtro

Reservatório de armazenamento

Compressor

Refrigerador

Fonte: adaptado de Parr (2011, p. 5).

Os principais componentes pneumáticos podem ser representados por símbolos. Cada símbolo mostra apenas a função do componente que representa, mas não sua estrutura. Símbolos pneumáticos podem ser combinados para formar diagramas pneumáticos. Um diagrama pneumático descreve as relações entre cada componente pneumático, ou seja, o design do sistema. Os símbolos são usados para mostrar ligações, trajetórias de fluxo e funções dos componentes representados. Os símbolos não são usados para indicar construção, valores de pressão, vazão e outras marcações de componentes. Os símbolos podem ser girados ou invertidos sem risco de alteração de seu significado – exceto quanto às linhas para reservatório, coletor aberto e acumulador (STEWART, 2013).

A simbologia referente aos principais componentes pneumáticos de acordo com a norma ISO 1219 (NBR 8896) pode ser vista no Anexo A deste livro.

Todos os sistemas pneumáticos terão certos componentes básicos, a seguir serão apresentados os principais componentes presentes em instalações pneumáticas e a sua simbologia, voltada principalmente para os sistemas industriais.

UNIDADE I │ INSTALAÇÕES PNEUMÁTICAS

» Reservatório com válvula de segurança – armazena o ar comprimido gerado.

» Secador – tem a função de remover o vapor d’agua presente no ar comprimido.

A Figura 3 exemplifica os componentes usados na produção de uma fonte confiável de ar comprimido.

Figura 3. Sistema de produção de ar comprimido.

Reservatório de ar (^) Drenos automáticos

Válvula de bloqueio

Manômetro Válvula de segurança Separador de condensado Resfriador Posterior

Manômetro

Válvula de alivio Resfriador intermediário Silenciador

Compressor de dois estágios (^) Filtro de admissão

Motor

Fonte: Pinches e Callear (1996).

A unidade de distribuição é composta por uma rede principal na qual se derivam redes secundarias para alimentar os circuitos pneumáticos. No capítulo 2, a unidade de distribuição será mais detalhada.

Após passar pelo processo de produção e distribuição, o ar deve passar pela unidade de condicionamento para garantir um alto rendimento. A unidade de condicionamento consiste na filtragem, regulagem de pressão, extração de água condensada na rede e introdução de uma certa quantidade de óleo para a lubrificação de todas as partes mecânicas dos componentes pneumáticos. Desde instalações mais complexas a mais simples, é indispensável, em qualquer sistema pneumático, a utilização dessa unidade. Os componentes da unidade de condicionamento são mostrados na Figura 2.

INSTALAÇÕES PNEUMÁTICAS │ UNIDADE I

Comandos de um sistema pneumático

Podemos dividir os comandos pneumáticos em seis partes:

1. Elemento de trabalho. 2. Elementos de influência. 3. Elementos de comando. 4. Elemento de processamento de sinal. 5. Elemento de emissão de sinal. 6. Elemento de geração e tratamento de ar comprimido.

Os elementos de trabalho convertem a energia do ar comprimido em energia mecânica. Os elementos responsáveis por essa conversão são os atuadores. Os atuadores pneumáticos são os componentes cujos desempenho e custo podem ser o fator decisivo na seleção da tecnologia pneumática. Antes de escolher o modelo a ser usado, é necessário examinar cada tipo com base na operação, desempenho e fatores de custo. Os atuadores podem ser divididos em dois tipos básicos: atuadores lineares e atuadores rotativos. (KRIVTS; KREJNIN, 2006).

Atuadores lineares são o estilo mais popular de atuador pneumático, consistem em um pistão e uma haste movendo-se dentro de um cilindro fechado. Geralmente chamados de cilindros pneumáticos, são usados para mover um objeto ou aplicar uma força em uma linha reta, podem ser usados em situações que se precisa empurrar, prensar, levantar etc. Esse estilo de atuador pode ser subdividido em dois tipos com base no princípio de operação: ação simples e dupla ação.

A Figura 4 apresenta os elementos principais de um atuador linear, com referência de um cilindro de dupla ação. Um atuador linear é composto por um tubo cilíndrico, uma tampa traseira (1) e uma tampa frontal (2), geralmente de alumínio, em que estão colocadas as entradas de admissão e exaustão do ar, a tampa traseira possui um furo central pelo qual se movimenta uma haste (3) (normalmente de aço temperado) que, na extremidade interna ao cilindro, possui um pistão ou êmbolo (4) com vedação em neoprene ou teflon para fechar hermeticamente a câmara frontal (5) (PRUDENTE, 2015).

INSTALAÇÕES PNEUMÁTICAS │ UNIDADE I

Na Figura 6, à esquerda, temos um sistema com os comandos pneumáticos; à direita, o respectivo circuito com a sua simbologia. A simbologia referente a outros comandos pneumáticos pode ser vista no Anexo A.

Figura 6. Sistema pneumático e sua simbologia.

Fonte: Prudente, 2015.

Analisando a Figura 6, podemos ver que os componentes de 1 a 4 são os elementos de geração e tratamento de ar comprimido, que são filtro com descarga manual (1), redutor de pressão (2), manômetro e um lubrificador (5). Os componentes de 7 a 12 são os elementos de comando e de sinal, que são válvula reguladora de fluxo (12), válvula por comando mecânico do tipo 3/2 vias (11), duas válvulas de comando manual (7) (11). O componente 13 é o elemento de trabalho. Nesse sistema, temos também uma junção (6) e a tubulação representada por pelos números 8, 10 e 5.

CAPÍTULO 2

Rede de distribuição e layout

O principal objetivo de uma rede de distribuição é transportar o ar comprimido do seu ponto de produção (compressor) e fornecê-lo à fonte consumidora na pressão adequada, quantidade e qualidade suficientes para o funcionamento eficiente de ferramentas pneumáticas e outros dispositivos pneumáticos. Todos os benefícios do ar comprimido devem ser obtidos. Um sistema de distribuição deve ser projetado procurando reduzir ao mínimo a queda de pressão entre o compressor e as partes de consumo, não apresentar escape de ar (vazamentos) e apresentar uma grande capacidade de eliminar a condensação de pequena parte dor ar (STEWART, 2003; PRUDENTE, 2015).

No entanto, muitas outras considerações entram na instalação do sistema de distribuição para garantir a eficiência, uma maior economia, preparação para futuras ampliações e a segurança do sistema total. Essas considerações serão discutidas ao longo deste capítulo. Essas considerações incluem:

» Taxa de fluxo de volume de ar. Quais são as exigências atuais, ou necessidade, de ar comprimido durante operações normais e quais serão as exigências de uma possível expansão futura? » Requisitos de pressão de ar. O aumento da pressão de trabalho poderá aumentar significativamente o consumo de energia, em contrapartida, se a pressão for muito baixa, a eficiência do sistema será reduzida. » Qualidade do ar. A qualidade do ar é um fator imprescindível, pois a manutenção preventiva e corretiva dependerá desse fator. » Eficiência e segurança do sistema de ar. Qual a capacidade do equipamento de fornecimento de ar? Ao projetar um sistema de distribuição, deve-se levar em conta o risco de acidentes e a proteção contra colisão e choques com outros equipamentos mecânicos. » Utilização de equipamentos que podem melhorar o desempenho da rede de distribuição, tais como: tipo(s) e número de compressores; secadores, tomadas de ar, reservatórios auxiliares e válvulas de forma combinada. » Localização da central geradora de ar. » Vazamento de ar comprimido. » Layout do sistema.