Automação de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos

Prof. Marcos Andrade

mandrade@unisal.com.br

06/2014

UNISAL 2

Ementa Resumida• Aplicação• Compressores, reservatórios,filtros e acessórios• Princípios físicos dos fluídos• Dimensionamento de linhas de distribuição• Atuadores• Cálculo de força e controle da velocidade• Válvulas de controle direcional• Válvulas controladoras de pressão• Controle de velocidade• Acumuladores Hidráulicos• Dimensionamento de dispositivos• Lógica• Circuitação Pneumática e Hidráulica

UNISAL 3

Ferramentas, apostila e bibliografia

• Utilização do Software FluidSIM da Festo

• Apostila de Pneumática

• Bibliografia Básica:– Bollmann, Arno. Fundamentos da Automação

Pneutrônica, ABPH– Stewart, Harry I. Pneumática & Hidraulica,

São Paulo: Hemus

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Diagrama de aplicação

• S – Motores de Passo• M – Motor Elétrico-Fuso• H – Hidráulica• P - Pneumática

UNISAL 5

Características do ar comprimido

• Compressibilidade

• Expansibilidade

• Elasticidade

• Difusibilidade

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Produção de ar comprimido

• Compressores– Compressor de êmbolo com movimento linear– Compressor de êmbolo rotativo– Turbocompressores

– Diagrama de volume e pressão (pg 13)

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Reservatórios,filtros,acessórios• Reservatórios

– Volume do compressor– Consumo de ar– Consumo da rede distribuidora

• Secagem– Por absorção– Por adsorção– Por resfriamento

• Filtros– Drenagem de água– Separação de partículas

• Regulagem de pressão• Lubrificação• Unidade de conservação (engloba Filtro, regulador e lubrificador)

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Fig.8

Fig.9 Fig.10

Unidade de Condicionamento

Filtro

Dreno Manual e Automático

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Princípios físicos do ar comprimido

• Lei de Boyle-Mariotte– p1.V1=p2.V2=p3.V3

• Exemplo: Um volume de 1 m3 sob pressão atmosférica, tem pressão de 1 bar, se reduzido por uma força para um volume de 0,5 m3, mantendo-se a temperatura constante, teremos:

p1.V1=p2.V2=p3.V3

1bar. 1m3=p2.0,5m3

p2= 2bar

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Princípios físicos do ar comprimido

• Lei de Gay-Lussac– Vt2=Vt1+((Vt1/273) * (T2-T1))

– Aumento de 1/273 do volume para o aumento de cada 1K

• Exemplo: 0,8m3 de ar com temperatura de 293K(20ºC) serão aquecidos para 344K(71ºC).

Vt2=0,8+((0,8/273)*(344-293)) = 0,95m3

UNISAL 11

Princípios físicos do ar comprimido

• Lei de Charles– P1/T1 = p2/T2

• Exemplo: Um certo volume de ar, a uma temperatura de 293K e pressão de 1bar, foi aquecido para 586K.

P2=p1*(T2/T1) = 1*(586/293) = 2 bar

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Dimensionamento de linhas de distribuiçãoConsumo de ar = 240 m3/hAumento em 3 anos 300% = 3 x 240 = 720 m3/hConsumo total = 720 + 240 = 960 m3/hComprimento da rede = 300 mQueda de pressão (admissível) = 0,1 barPressão na rede = 8 barConsiderando os dados, e fazendo uso do nomograma, procura-se o diâmetro interno do

tuboda seguinte forma::• Liga-se com um traço a linha “A” do nomograma (comprimento da tubulação) à linha “B”(volume aspirado);• Prolonga-se o traço até a linha “C” (eixo 1), formando um ponto de interseção com o

eixo 1,• Ligua-se agora a linha “E” (pressão de trabalho) à linha “G” (queda de pressão),

formandoassim um ponto de interseção em “F” (eixo 2).• Liga-se o ponto de interseção da linha “F” (eixo 2) com o ponto de interseção da linha

“C”(eixo 1)• Na linha “D” (diâmetro interno do tubo) obtem-se um ponto de interseção onde seráregistrado o valor do diâmetro do tubo, que nesse caso será de 90mm

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Dimensionamento de linhas de distribuição

UNISAL 14

Dimensionamento de linhas de distribuição

• 6 peças “T” 6 x 10,5m = 63m• 1 válvula de passagem 1 x 32m = 32m• 5 cotovelos normais 5 x 1m = 5m• Comprimento equivalente = 100m• Comprimento da rede = 300m• Comprimento Total = 400m

UNISAL 15

Dimensionamento de linhas de distribuição

UNISAL 16

Atuadores

• Atuadores Lineares– Cilindros de simples ação (retorno por mola)

• Cilindro de êmbolo• Cilindro de membrana de projeção

UNISAL 17

Atuadores

• Atuadores Lineares– Cilindros de dupla ação

• Standard

UNISAL 18

Atuadores•Cilindro dupla ação com amortecimento

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Atuadores

Fig.11

1 – Mancal2 – Guarnição de limpeza da haste3 – Guarnição “U” Cup4 – Haste5 – Êmbolo6 – Cabeçote traseiro7 – Camisa (tubo de deslizamento)8 – Tirantes com porca parlok9 – Tampa de fixação do mancal10 – Válvula de controle de fluxo do amortecimento11 – Colar do amortecedor dianteira12 – Cabeçote dianteiro13 – Guarnição do amortecimento

•Cilindro dupla ação com amortecimento

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Atuadores•Atuador Telescópico

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Atuadores•Atuador dupla haste

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Atuadores•Atuador tandem

UNISAL 23

Atuadores•Atuador sem haste

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Atuadores•Garras Pneumáticas

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•Atuadores Rotativos– Rotativo com cremalheira

Atuadores

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•Motores Pneumáticos•Motor de Palhetas

Atuadores

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•Motor de pistões axiais

Atuadores

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Cálculo das forças nos cilindros

• Cilindros de simples Ação– Fn=A.p-(Fr-Fm)Onde:

Fn= Força efetiva do êmbolo (kp)A= Área útil do êmbolo (cm2) ( * r2)p= pressão de trabalho (bar)Fr= resistência de atrito (3-20% de Fn)(kp)

Fm= Força da mola (kp)

* 1 Kp = 1 Kgf = 9,81 N

UNISAL 29

Cálculo das forças nos cilindros

• Cilindros de Dupla ação– No Avanço:

• Fn=A.p-(Fr)– No recuo:

• Fn = A1.p-(Fr)

Onde:Fn= Força efetiva do êmbolo (kp)A= Área útil do êmbolo (cm2) ( * r2)A1= Área útil da coroa do êmbolo ( * (R2 - r2))p= pressão de trabalho (bar)Fr= resistência de atrito (3-20% de Fn)(kp)

Fm= Força da mola (kp)

UNISAL 30

Velocidade nos cilindros

•A velocidade depende da carga, pressão do ar, comprimento da tubulação entre a válvula e o cilindro.•O amortecimento também gera influência na velocidade.•Cilindros normais variam entre 0,1 e 1,5 m/Seg.•A velocidade pode ser regulada com válvulas apropriadas, sendo elas:

– Válvula reguladora de fluxo para uma menor velocidade. (Pg48)– Válvula de escape rápido para uma velocidade maior.(Pg47)

Obs: A velocidade sempre é regulada controlando o ar em exaustão

UNISAL 31

Tipos de elementos

• Elementos de Trabalho (Pistões, motores,etc)

• Elementos Auxiliares (Válvula de escape rápido)

• Elementos de comando (Válvulas pilotadas 5/2)

• Elementos de processamento (and, or, etc)

• Elementos de sinais (Chaves, botoeiras, etc)

• Elementos de alimentação (compressores)

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Atuadores – Válvulas - Acessórios

UNISAL 33

Tipos de acionamento

• Direto– Válvula direto no elemento de trabalho

• Indireto– Válvula pilota outra válvula

UNISAL 34

Comandos Pneumáticos

• Comandos Combinatórios– Solucionado através de técnicas de sistemas

digitais (Mapas de Karnaught)

• Comandos Seqüenciais– Forma Algébrica (A+B+A-B-)– Forma de Tabela

• Diagrama estado passo• Diagrama de sensores• Diagrama de acionamento

UNISAL 35

Exemplo de Comandos Combinatórios

Após ser dado um sinal de acionamento manual ou por pedal deve ser verificado se há peças no depósito através do sinal de um sensor. Se tiver peças no depósito um cilindro para alimentação de peças deverá avançar, caso não haja peças, além de não acontecer o avanço do cilindro, deve ser dado um alarme.

Acionamento manual = E1

Acionamento por pedal=E2

Detector de peças no depósito=E3

Cilindro de alimentação=S1

Alarme=S2

UNISAL 36

Exercício de sistemas combinacionais

• Fazer um controle bi-manual para o avanço de um pistão.

• Considerar a necessidade de simultaneidade

• Tempo de desarme máximo: aproximadamente 3 segundos

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Resolução do exercício proposto

UNISAL 38

Exemplo de Comandos Seqüenciais

Avança Pistão 1

Avança Pistão 2

Recua Pistão 1

Recua Pistão 2

• Forma Algébrica

• Forma de Tabela

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Exercício de sistemas seqüenciais• A+B+A-C+B-C- (Solução Pneumática)

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Exercício de sistemas seqüenciais• A+B+A-C+B-C- (Solução Eltro-Pneumática)

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Sistemas HidráulicosDimensionamento dos atuadores

• Diagrama Trajeto X Passo• Exemplo: Faça o diagrama trajeto passo de um

dispositivo de dobra dupla. O dispositivo deverá possuir: 1 cilindro de simples efeito (A) e 2 cilindro de duplo efeito (B e C), uma chave de início (E0) e uma chave de emergência E7. Os cilindros serão sensoreados em seu início e fim de curso, sendo respectivamente E1 e E2 (cilindro A), E3 e E4 (B) e E5 e E6 (C). Ao acionarmos a chave E0, devemos avançar o cilindro A, em seguida avançar e recuar o cilindro B e finalmente avançar e recuar o cilindro C.

UNISAL 41

UNISAL 42

Diagrama Trajeto x Passo

Componentes Tempo em Segundos 00 03 08 11 16 29 22

Dispositivo Notação

Estado Passo 1 2 3 4 5 6 7

Cilindro de simples efeito

A Avançado

Recuado

Cilindro de Duplo Efeito

B Avançado

Recuado

Cilindro de Duplo Efeito

C Avançado

Recuado

UNISAL 42

UNISAL 43

Pressão Nominal do Sistema (PN)

Pressão Classificação

Bar PSI

0 a 14 0 a 203,10 Sistemas de baixa pressão

14 a 35 203,10 a 507,76 Sistemas de média pressão

35 a 84 507,76 a 1218,68 Sistemas de média-alta pressão

84 a 210 1218,68 a 3046,62 Sistemas de alta pressão

Acima de 210 Acima de 3046,62 Sistemas de extra-alta pressão

UNISAL 43

Pressão de Trabalho (Ptb) estimada e perda de carga estimadaPtb=PN-0,15*PN

Força de avanço (Fa): Determinada pela necessidade para o qual foi projetado.

UNISAL 44UNISAL 44

Diâmetro Comercial Necessário ao Pistão

Valor referencial, devemos observar o seguinte:Dp comercial ≥ Dp calculada

Ptb

FaDp

*

*4

Pressão de Trabalho

Utilizar Dp comercial

4/* 2Dp

FaPTb

Dimensionamento da Haste pelo critério de Euler para deformação por Flambagem

Equação (1.0)

Onde: = Comprimento livre de flambagem (cm) (Tabela anexo) E = Módulo de elasticidade do aço (módulo de Young) = 2,1 x 107 N/Cm2

S= Coeficiente de segurança (3,5) J = Momento de inércia para seção circular (cm4) Equação (1.1)

2

2 **

JE

K

64

*4 dhJ

UNISAL 45UNISAL 45

Dimensionamento da Haste pelo critério de Euler para deformação por Flambagem – Continuação

Substituindo e remanejando 1.1 na equação 1.0 temos que:

Novamente temos que dh comercial ≥ dh calculado (Tabela em anexo)

43

2

*

***64

E

FaSdh

Tubo de Parada (Distanciador) – Utilizado quando existirem forças axiais à haste ou comprimentos longos.

Dimensionamento fornecido pelo fabricante ou através da tabela padrão

Curso L (mm) Distanciador C (mm)

...500 ---

501...625 25

626...750 50

751...875 75

876...1000 100

1001...1125 125

1126...1250 150

1251...1350 175

UNISAL 46UNISAL 46

Amortecedores de fim de cursoDeverão existir sempre que a velocidade em que a haste irá se expandir ou retrair exceder 0,1m/s, com o objetivo de absorver a energia cinética.

2

* 2vmEC

Velocidade dos atuadores

ta

Lhva

tr

Lhvr

Vazão dos atuadores – No avanço

, portanto

No recuo

4*,*

2DpApondeApvaQa ta

DpLhQa

*4

**

2

tr

dhDpLhQr

*4

**

22

UNISAL 47UNISAL 47

Vazão Induzida no avanço

Vazão Induzida no recuo

4

*,,*22 dhDp

AcebombadavazãoQBsendoAp

QBvaondeAcvaQia

4*,,*

2DpApebombadavazãoQBsendo

Ac

QBvrondeApvrQir

Exemplo: Suponha uma bomba que forneça 32,6 l/min a um cilindro de 80 mm de diâmetro de pistão e 36 mm de diâmetro de haste. Calcule a Qia e Qir.

QB=32,6 l/min = 32600 cm3/min

Dp = 80 mm = 8 cm

Dh= 36mm = 3,6 cm

Qia=25996,68 cm3/min ≈ 26 l/minQir=40879,97 cm3/min ≈ 41 l/minConclusão de filtros, dutos de retorno e válvulas em geral deverão ser dimensionados à partir da máxima vazão induzida, isto é, a vazão induzida de recuo Qir.

22

26,504

8* cmAp

222

08,404

6,38* cmAc

UNISAL 48

Exercícios

1) Calcular a pressão nominal PN de um sistema hidráulico cuja pressão de trabalho é de 65 bar.

2) Um cilindro hidráulico deve deslocar uma massa de 500kg a uma altura de 1m e 10 segundos. Calcule a força de avanço Fa, o diâmetro comercial do pistão Dp e a pressão de trabalho final PTb (suponha que a PN=70 bar)

3) Para o mesmo cilindro do exercício anterior, e considerando que ele deva retornar em 5 segundos, calcule a vazão de avanço Qa, a vazão de retorno Qr, considerando uma relação (r=1,25) e a vazão da bomba QB.

4) Utilizando o critério de Euler, verifique o diâmetro mínimo admissível para a haste do cilindro do exercício 2.

5) Verifique por Euler a segurança da haste de um cilindro hidráulico cujo dh=18mm, Fa=5500 N e Lh=800 mm. Considere montagem conforme caso 1.

UNISAL 48

UNISAL 49

Sistemas HidráulicosDimensionamento da bomba e do motor hidráulico

Cálculo do tamanho nominal

Volume de absorção

Momento de torção absorvido

Potência absorvida

Onde: Vg = Volume de absorção (cm3/rotação) / Mt = Torque absorvido (N.m)

n = Rotação (900 a 1800 RPM) / = Rendimento volumétrico (0,91 – 0,93)

= Rendimento mecânico-hidráulico (0,82 – 0,97) / QB = Vazão da Bomba (l/min)

= Rendimento total (0,75 – 0,90) = ( * ) / N = Potência Absorvida (kW)

UNISAL 49

n n

QiaQBQir1 1

vn

QBVg

**1000

n

NMtou

pQBMt

mh

*9549,

*100

*

t

PQBNou

nMtN

*600

*,

9549

*

vmht mh v

UNISAL 50

Exercício

Para a bomba de QB=32,6l/min e supondo que ela esteja acoplada a um motor elétrico com n=1750 RPM, calcule o deslocamento Vg, a Potência N e p momento de torção Mt. Considere:

= 100 bar

= 0,92

= 0,87

UNISAL 50

p

v

mh

UNISAL 51

Dimensionamento das tubulações e as Perdas de Carga

Velocidade de escoamento (Vesc)Para a tubulação de pressão cm/s

Para a tubulação de Retorno Vesc = 300 cm/s

Para a tubulação de Sucção = 100 cm/s

Diâmetros da tubulação

UNISAL 51

3,3

1

*65,121 pVesc

v

Qdt

**015,0

UNISAL 52

Número de Reynolds

UNISAL 52

dtv*

Re

V=velocidade do fluido (cm/s)dt= Diâmetro interno da tubulação (cm) = Viscosidade da fluido em Stokes (St)Re= número de Reynolds (admensional)

Limites de escoamento

Escoamento Laminar Re≤2000

Escoamento Indeterminado 2000<Re<2300

Escoamento Turbulento Re≥2300

UNISAL 53

Exercício

Dimensionar tubulações de sucção, pressão e retorno de um sistema hidráulico que terá uma vazão máxima de 60l/min e pressão de 120 bar. Adote a viscosidade do óleo como sendo: = 0,45St

UNISAL 53

UNISAL 54

Perda de carga na linha de pressão

Perda de carga localizadaPerda gerada por conexões (luvas,joelho,curvas,registros,reduções,etc) incorporadas à tubulação.

Verificar Tabela em anexo (Pg 86 e 87)

UNISAL 55

Perda de carga na linha de pressão

Perda de carga distribuídaOcorre devido às diferença de velocidade do fluido em regime laminar tendo em vista o atrito com a parede do tubo.

Fator de Atrito

Para tubos rígidos em temperatura constante

Para tubos rígidos e temperatura variável ou tubos flexíveis e temperatura constante

Para tubos flexíveis e temperatura variável

Re

64

Re

75

Re

90

UNISAL 56

Cálculo da perda de carga na linha

10

2

10*

***5*

dt

vLtp

Onde:

= Fator de Atrito (adimensional) = Massa específica do fluido em kg/m3 (é igual a 881,1 para óle SAE-10) v = Velocidade de escoamento do fluido (cm/s) dt= diâmetro interno do tubo comercial (cm)Lt=L1+L2 = Comprimento total da tubulação (cm) L1= Comprimento da tubulação retilínea (cm) L2= Comprimento equivalente das singularidades (cm) = Perda de carga na tubulação (bar)5/1010 = Fator de conversão

p

UNISAL 57

Perda de carga nas válvulas da linha de pressão

Perda de carga nas válvulasDado pelo fabricante de acordo com a relação de diâmetros e Vazão (l/min)

Verificar Tabela em anexo (Pg 89 a91)

Perda de carga total

(perda de carga na tubulação e perda de carga nas válvulas)

Perda TérmicaÉ caracterizada pela perda de portência que pode ser vista em termos de taxa de calor devido às perdas de carga. Necessário para dimensionamento de chincanas e trocadores de calor.

QB dado em l/minDado em Kcal/h

dPPPT

QBPTq **434,1

UNISAL 58

Exemplo de circuito hidráulico

UNISAL 59

Dimensionamento do reservatório

Regra Prática“O volume de fluido armazenado no reservatório deve ser o suficiente para suprir o sistema por um período de no mínimo três minutos antes que haja o seu retorno, completando um ciclo”.

Vol.Reserv. >= 3*QB

Superfície de troca térmica (justificativa da utilização de trocadores de calor)

Em que:q= Carga Térmica (Kcal/h)K=Coeficiente de troca térmica entre a instalação e o ambiente S=Superfície de troca térmica (m2)T2= Temperatura em que o fluido deve ser mantido (graus Celsius)T1= Temperatura ambiente

)(** 12 TTSKq

Cmh

KcalK **

132

UNISAL 60

Exemplo práticoSupondo o dimensionamento do reservatório de um sistema que tenha QB=45 l/min, q= 5850,72 Kcal/h, temperatura ambiente 28 ºC e temperatura máxima de 40 ºC.

Regra PráticaVol.Reserv=3*QBVol.Reserv=(3 min)*(45 l/min)Vol.Reserv=135 litros = 0,135 m3

Aplicação do equacionamento formal

S=37,50m2

Imaginando um reservatório prismático cujas relações dimensionais são 3L:2L:1L, sendo assim S=2*(3L*L)+2*(2L*L)+(3L*2L)=16L2

S=37,2 m2 = 16 L2

Logo L=1,52m e volume de 21m3, ou seja um volume 155 vezes maior que o mínimo necessário (0,135 m3)

)(* 12 TTK

qS

UNISAL 61

Dimensionamento de acumuladores Hidráulicos e Intensificadores de

pressãoTipos de acumuladores hidráulicos Acumuladores com pesoAcumuladores de molaAcumuladores com gás

PistãoDiafragmaBexiga

Aplicações:Compensadores de vazamentosFonte de potência auxiliarCompensador de expansão térmicaFonte de potência para emergênciasCompensador de volumeEliminador de pulsações e absorvedor de choquesFonte de potência em circuitos de duas pressõesDispositivo de sustentaçãoDispositivo de transferênciaFornecedor de fluido

UNISAL 62

Acumulador como compensador de vazamentos

UNISAL 63

Acumulador como fonte de potência auxiliar

UNISAL 64

Acumulador como fonte de potência para emergência

UNISAL 65

Acumulador como Absorvedor de choques cinéticos

UNISAL 66

Intensificadores de pressão

Utilizado quando deseja-se , com baixo custo, elaborar circuitos que capazes de realizar operações à elevadas pressões (em torno de 300 a 400 bar), porém sem a necessidade de elevadas potências.

UNISAL 67

Circuitos seqüenciais por válvulas de seqüência