Pneumática - apostila, Exercícios de Pneumática

Baixe Pneumática - apostila e outras Exercícios em PDF para Pneumática, somente na Docsity!

Automação

Pneumática

Prof.: Samuel Dias

Texto adaptado da apostila “Acionamentos Pneumáticos” , autor Prof. Doroteu – IFCE Benfica

AGRADECIMENTOS:

Agradeço ao Prof. Doroteu por ter fornecido os primeiros ensinamentos a cerca do mundo da pneumática e hidráulica, e por não ter medido esforços em fazer uma educação de qualidade, com profissionalismo e total responsabilidade. Também o agradeço por ter repassado suas notas de aulas, das quais pude criar este material que terá um processo continuado de atualização, além de fornecer o software de sua autoria, o SIMULA, onde podemos simular no computador circuitos pneumáticos puros. É nosso intuito, atualizar o mesmo, para corrigir bugs e adicionar um módulo de simulação de eletropneumática.

Meu muito Obrigado!

Introdução: Um sistema de automação industrial é constituído de três tipos de elementos:

• Sensores;
• Controladores (comando e regulação);
• Atuadores (acionamento).

Que irão trabalhar, seja com energia elétrica, pneumática ou hidráulica.

A utilização de sensores e motores elétricos abrange uma grande gama de aplicações, no entanto existem situações em que somente a energia hidráulica e pneumática oferecem uma solução mais eficiente e de baixo custo. Além disso, em algumas aplicações não é permitido a ocorrência de faíscas elétricas (pintura de automóvel, mina de carvão, fábrica de armamentos, etc..), não sendo interessante nesse caso utilizar motores elétricos, por exemplo. Assim, atuadores hidráulicos são utilizados quando cargas da ordem de até centenas de toneladas estão envolvidas, como por exemplo em tratores, guindastes, ou quando se deseja uma alta precisão de posicionamento, como em máquinas de usinagem de precisão, micromanipuladores, etc..., que em geral não podem ser obtidos com motores e sistemas elétricos. Atuadores pneumáticos são utilizados quando estão envolvidas cargas da ordem de até uma tonelada) onde se deseja movimentos de duas posições (início e fim) limitadas por batentes mecânicos, como em máquinas de fixação ou transporte de peças, ou quando se deseja altas rotações (milhares de r.p.m.), como no caso de fresadoras pneumáticas, broca de dentista, etc... Eventualmente encontraremos equipamentos em que ocorre uma combinação do uso das energias acima. Por exemplo, em sistemas eletropneumáticos temos atuadores pneumáticos acionados por controladores elétricos ou eletrônicos, bem como, sensores elétricos ou pneumáticos. O mesmo ocorre em sistemas eletrohidráulicos.

Mas professor, cê falou, falou e falou e não nos disse até então o que é Pneumática? Então, vamos lá.

O que é Pneumática? Pneumática é o ramo da engenharia que estuda a aplicação do ar comprimido para a tecnologia de acionamento e comando.

Um pouco de história sobre pneumática!

História: Na verdade o uso do ar comprimido como fonte de energia pelo homem data de 2550 AC. Nessa época eram fabricados foles e órgãos que essencialmente geram sons baseado no escoamento do ar sob pressão em tubos com furos. O ar comprimido era produzido por uma bomba acionada manualmente.

No século XIX, surgiram as primeiras máquinas pneumáticas complexas, as locomotivas e perfuratrizes (nas minas de carvão). Na verdade, essas máquinas utilizavam vapor superaquecido e não ar comprimido propriamente dito, no entanto os princípios envolvidos no funcionamento são idênticos. No entanto, foi no século XX, que a pneumática passou a ser aplicada na automação industrial e se desenvolveu ao ponto que é conhecida hoje em pleno século XXI.

A aplicação de pneumática em automação tem se dado de forma concreta em função das inúmeras vantagens que seu uso propicia, com ganhos consideráveis sobre outras tecnologias, como por exemplo hidráulica e elétrica / eletrônica. É aplicada em diversos ramos de atividades, sobretudo na indústria.

• Guinchos e empilhadeiras.
• Mancais aeroestáticos.

Ih, professor esse tal de mancal eu nunca ouvi falar. O senhor poderia falar um pouco mais sobre ele? É claro que sim meu caro aluno!

• Ferramentas de estampo e corte.
• Ferramentas odontológicas.
• Equipamentos de pintura industrial.
• Equipamentos de injeção.

Vejamos agora na tabela abaixo algumas características técnicas e comparações da pneumática com outras técnicas de acionamentos.

Técnicas Pneumática Hidráulica Elétrica/eletrônica Força Pequena Grande Pequena Torque Pequeno Grande Grande Movimento linear Fácil obtenção, alta velocidade

Fácil obtenção, média velocidade

Obtenção complexa

Movimento rotativo Altas rotações (50.000 rpm)

Médias rotações Médias rotações

Regulagem força e velocidade

Ruim Boa Excelente

Acúmulo e transporte de energia

Possível e fácil Possível, mas difícil Fácil

Sensibilidade ao ambiente Praticamente insensível

Sensível Sensível

Custo da energia Médio Alto Baixo Riscos de manuseio Baixo Médio Alto

Sistemas Pneumáticos

Os sistemas pneumáticos são compostos de equipamentos tais como cilindros, motores, válvulas, chaves de fim de curso, sensores, relés, sinalizadores, microcontroladores, CLP’s, etc., inter-relacionados, a fim de que os atuadores (cilindros e motores) executem uma função pré–estabelecida, comandados pelos outros equipamentos descritos.

Onde, os sistema de comando é responsável por controlar o atuador pneumático mediante a informação dos sensores. Pode consistir num microcomputador por exemplo. Já o sistema de comando de potência vai converter os sinais recebidos do sistema de comando em sinais de níveis de energia coerente para acionar os atuadores.

As vantagens e limitações dos sistemas pneumáticos são decorrentes basicamente de sua alta compressibilidade e baixa viscosidade do ar.

Veja a seguir algumas vantagens e desvantagens ao se trabalhar com sistemas pneumáticos.

Caro aluno, espero que estejam gostando do que foi visto até o presente momento. Ok? Mas antes de prosseguir, gostaria de falar um pouco do elemento executor de trabalho, no nosso caso, o famoso “ar”. Êba!!!! Vamos lá!

Pessoal, primeiramente gostaria de dizer que o ar é muito importante para as nossas vidas. Quem duvidar que tente ficar dois minutinhos sem respirar, só espero que não tentem fazer isso em sala de aula. Ok? Pelo contrário, que tal uma pausa de um minutinho para respirar e relaxar, rs. Bom a respiração é muito importante pois oxigena todos os órgãos e tecidos do corpo e principalmente nosso cérebro, ajudando no processo de aprendizado. Portanto, ar é fonte de inteligência! Rsrs.

Ar e Ar Comprimido O ar da atmosfera é uma mistura de gases composto de 78% de Nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outros gases.

Além disso, o ar contém adicionalmente água em forma de vapor. A capacidade de absorção de vapor d'água no ar depende da temperatura, porém não da pressão. Se a capacidade máxima de absorção for ultrapassada o vapor d'água condensa e precipita na forma de água condensada (neblina, pingos, etc.). A umidade máxima do ar (fmax) é o volume máximo de vapor d'água possível numa temperatura t. A umidade absoluta do ar (f ) é a quantidade de vapor d'água expressa em gramas efetivamente contida numa unidade de volume. A umidade relativa do ar (ϕ ) é também chamada de grau de saturação e é expressa por:

f max

ϕ = f

Veja a seguir tabela a quantidade máxima de água no ar em cada temperatura:

t em ºC f em g/m

• 0 10 20 30 40 50 60 80 100

Caro aluno, qual conclusão você pode obter pela observação da tabela anterior? E ai? nada? Ein?

Ah professor, to notando que a medida que aumentamos a temperatura do ar aumenta-se o ponto de condensação da água no ar, logo sua umidade. Portanto, pode-se definir ponto de orvalho como sendo os valores de temperatura os quais ocorre a condensação de uma determinada massa de água em certo volume.

Agora melhorou!

Expansibilidade:

Propriedade do ar que lhe possibilita ocupar totalmente o volume de qualquer recipiente, adquirindo o seu formato.

Peso do Ar:

Como toda matéria concreta, o ar tem peso. A experiência a seguir mostra a existência do peso do ar. Temos dois balões idênticos, hermeticamente fechados, contendo ar com a mesma pressão e temperatura.

a) Dois balões com a mesma quantidade de ar. b) Retira-se ar de um dos balões com uma bomba de vácuo.

Caro aluno, veja no experimento anterior que os dois balões inicialmente estavam submetidos a mesma pressão e temperatura. Ok? Mas o que acontece se aquecermos um dos balões? Não sabe? Então veja na próxima página, tudo bem?

Expondo-se um dos balões em contato com uma chama, o ar do seu interior se aquece, escapa pela boca do balão, tornando-se assim, menos denso. Conseqüentemente há um desequilíbrio na balança.

a) Balões em equilíbrio. (^) b) Após o aquecimento.

Efeitos combinados entre as 3 variáveis físicas do gás

Lei geral dos gases perfeitos

As leis de Boyle-Mariotte, Charles e Gay-Lussac referem-se a transformações de estado, nas quais uma das variáveis físicas permanece constante. Geralmente, a transformação de um estado para outro envolve um relacionamento entre todas, sendo assim, a relação generalizada é expressa pela fórmula:

1 1 2 2 1 2

P V. P V.

T^ = T

Onde: T é dado em Kelvin.

Princípio de Pascal:

Constata-se que o ar é muito compressível sob ação de pequenas forças. Quando contido em um recipiente fechado, o ar exerce uma pressão igual sobre as paredes, em todos os sentidos. Por Blaise Pascal, temos: “A pressão exercida em um líquido confinado em forma estática atua em todos os sentidos e direções, com a mesma intensidade, exercendo forças iguais em áreas iguais”.

Depois de estudarmos acerca do ar e seus princípios físicos, vamos estudar os três tipos de acionamentos pneumáticos. Professor, eu não acredito que pneumática é tão fácil assim! Que legal!

Exercício 01:

1. O reservatório de ar comprimido de um compressor tem um volume de 10 m 3 como mostrado na figura. O reservatório se encontra preenchido com ar comprimido com uma pressão relativa igual à 7 bar e uma temperatura de 20ºC. Responda:

a) Qual a quantidade de ar dentro do reservatório se a pressão for reduzida para o estado normalizado (1 bar, 20ºC) que contém o reservatório e qual a quantidade máxima utilizável? Dica:

Res.: 80 e 70 m3, respectivamente.

b) Que pressão se forma com o reservatório fechado num aumento de temperatura para 65ºC? (desprezar dilatação do reservatório). Dica: Lembre-se que Tk = 273 + TC. Resp.: 9.22 bar.

Técnicas de Acionamentos:

• Pneumática “pura”.
• Eletropneumática.
• Através de CLP.

Técnica empregada x flexibilidade

Técnica empregada Flexibilidade PNEUMÁTICA “PURA” BAIXA ELETROPNEUMÁTICA MÉDIA ATRAVÉS DE CLP ALTA

- ELETROPNEUMÁTICA:

São empregados componentes de comando manual, por pressão piloto e elétrico, o que dá ao sistema uma flexibilidade razoável mas, ainda de custo relativamente alto.

Exemplos de circuitos eletropneumáticos:

1. Controle de velocidade de uma furadeira pneumática:

ESQUEMA FÍSICO ESQUEMA PNEUMÁTICO

A

Este acionamento pneumático possibilita duas formas de execução:

• Sem acionar o solenóide “y2” e acionando os solenóides a0 e a1 o cilindro A avança e retorna, respectivamente, sem contudo haver um controle de velocidade;
• Porém, quando acionado y2 e acionando os solenóides a0 e a1 o cilindro A avança e retorna, respectivamente, sendo que neste caso o avanço é realizado com controle de velocidade o que é necessário para não haver um “choque abrupto” entre a broca e a peça a ser furada.

a2 a

a a

A

a

y

PEÇA

a

a

2. Circuito seqüencial - A+ B+ A - B- ...

A B

- ATRAVÉS DE CLP:

São empregados componentes de comando manual, por pressão piloto e elétrico, mas em menor número haja vista que grande parte destes são substituídos pelo CLP que, através de software, executa funções de relé, temporizador, contador, chaves, etc., o que dá ao sistema uma grande flexibilidade com um custo relativamente baixo.