PneumaticaTJ

5/10/2018 PneumaticaTJ - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/pneumaticatj 1/63

Introdução às Técnicas de Comando Pneumático Página 1

Introdução

Apesar da humanidade utilizar de fluidos sob pressão há alguns séculos, foi somente apartir da Segunda Grande Guerra que o fluido passou a ter sua aplicação dentro dosambientes industriais.

As aplicações deram-se, com a indústria automobilística e o com a chamada

"Automação Industrial". Para a execução de peças em série.Faziam-se necessariamente um grande número de operações repetitivas e aconsequente redução de custos de mão-de-obra, pois como é sabido, ela reflectedirectamente nos custos finais.

A automação industrial por meio de fluidos sob pressão dividiu-se em dois grupos bemdefinidos que, apesar de similares com relação aos componentes que utilizam, ealgumas vezes poderem ser encontrados compondo um mesmo equipamento, têmseus limites de operações basicamente em função das pressões de trabalho e dasforças que são capazes de fornecer, além do custo é claro, que supera os 100% dediferença.

Um primeiro grupo e certamente o de mais antiga aplicação pelo homem é o fluidohidráulico (fluido líquido sob pressão), e o segundo, é o fluido pneumático (fluidogasoso sob pressão).

Vamos abordar o tema "AUTOMAÇÃO PNEUMÁTICA" de uma forma clara e bastantesimples, por isso mesmo vamos deparar com um algum material ilustrado, tendo aindaao final de cada capítulo uma lista de exercícios com os quais poderá verificar seu graude entendimento.

Buscou-se ainda, a utilização de exemplos práticos como a automatização de algunsdispositivos a fim de aproximar o formando o máximo possível da realidade industrial.

O formando encontrará também no final tabelas e normas que vão auxiliá-lo naelaboração de seus projectos.




Conceitos e Princípios Básicos

1.1. Revisão de Conceitos

1.1.1. Automação e Automatismos

O estudo que se dará em seguida principia com a distinção entre os vocábulosAUTOMAÇAO e AUTOMATISMOS, utilizados na indústria, porém ainda desconhecidos deum grande número de profissionais que os utilizam.Assim, os automatismos são os meios, os instrumentos, máquinas, processos detrabalho, ferramentas ou recursos capazes de potencializar, reduzir, ou até mesmoeliminar a acção humana dentro dum determinado processo produtivo, objectivandocom isso, uma optimização e consequente melhoria de produtividade.

Neste ponto é importante lembrar que uma diferença PRODUÇÃO e PRODUTIVIDADE.1

Já a AUTOMAÇÃO significa a dinâmica organizada dos AUTOMATISMOS, ou seja, suasassociações de uma forma optimizada e direccionada à consecução dos objectivos do

progresso humano. Portanto, não é, nunca foi e nunca será a mera substituição doelemento humano dentro do processo fabril, mas sim, um meio de garantir uma altaPRODUTIVIDADE com elevada eficiência e padrão de qualidade, permitindo com isso umaredução no custo final do produto, bem como sua disponibilidade em temporelativamente menor e quantidades maiores.

Os AUTOMATISMOS são classificados de duas formas, a saber:

AUTOMATISMOS de potência: destinados a potencializar a magnitude física oumental à qual o elemento humano está sujeito, dentro do ambiente fabril,principalmente quando considerada sua exposição diária ao processo,perfazendo em media 40 horas semanais, reduzindo sensivelmente aspossibilidades de fadiga física e/ou mental à qual estaria sujeito.

AUTOMATISMOS de guia: são utilizados para guiar movimentos eposicionamentos precisos, como em alguns dispositivos de montagem ouoperações de transformação mecânica, como, por exemplo, a maquinagem

Em verdade, um processo completo de automação compreende sempre, embora emproporções diversas e conforme a real necessidade, as duas classes de automatismos.Sabe-se também que automatizar um processo requer um estudo muito bem elaboradode custo envolvido e real benefício. É comum ainda nos tempos actuais, algumasempresas, ao exporem a seus profissionais a necessidade de que alguns processos

devam ser automatizados objectivando com isso melhorias de produtividade, tê-los,sugerindo, ou mesmo implementando automatizações em todo e qualquer processoprodutivo de sua empresa, sem muitas vezes ter procedido a um estudo profundo deviabilidade técnica, financeira e, principalmente, sem analisar com clareza a relaçãocusto e real benefício.

É sempre importante lembrar ao formando que conta muito menos automatizartotalmente uma operação simples que automatizar apenas parcialmente (uns 30 ou50%) um processo complexo, e que resultaria em redução de tempo significativa frenteà produtividade obtida ao longo de um dia de trabalho, bem como a consequentegarantia de qualidade.

1Produtividade é a medida da eficiência de uso dos diversos elementos da produção" (Centro de Produtividade Europeu).

Resumidamente, produtividade é o resultado efectivamente útil obtido em relação ao que fora produzido (produção).




Não faz sentido investir em equipamentos ou mecanismos (automatismos) caros que,dentro do processo geral, não contribuam efectivamente com a produtividade,qualidade e, salvaguarda do elemento humano (quando se faz presente no processo),mesmo quando analisado a médio e longo prazos.

Exceptuando, são claro, máquinas hoje existentes, comandadas pela mais altatecnologia, e por isso de custos exorbitantes, mas que, porém, garantem à empresapadrão de qualidade e competitividade em níveis internacionais.1.1.2. Fluido

É qualquer substância capaz de escoar e assumir a forma do recipiente que a contém,(nesse caso o fluido em questão é o ar).

1.1.3. Pneumática

Provém da raiz grega "PNEUMA", que significa fôlego, vento, sopro. Logo, pneumáticaé conceituada como sendo a matéria que trata dos movimentos e fenómenos dosgases.

1.1.4. Eletropneumática Ramo da pneumática que passa a utilizar a energia eléctrica CC ou CA como fonte deenergia para o accionamento de válvulas direccionais, compondo as assim aschamadas eletroválvulas e válvulas proporcionais, energizando ainda sensoresmagnéticos de posicionamento, pressostatos, micro-switchs, etc.

1.1.5. Pneutrônica

Vocábulo utilizado para indicar uma evolução da eletropneumática, em que aelectrónica passa a ter uma aplicação muito maior, com controladores lógicosprogramáveis, sensores digitais, sistemas robotizados. Circuitos electrónicoscomplexos accionando e monitorizando os componentes pneumáticos.

1.1.6. Pressão

Em termos de pneumática, define-se pressão comosendo a força exercida em função da compressão do arem um recipiente, por unidade de área interna dele(figura 1.1). Sua unidade no S.l. é dada em N/m2 ou Pa (pascal), embora seja comum ainda a utilização deunidades como (atm, bar, kgf/mm2, Psi, etc.).

1.1.7 . Pressão num Actuador Pneumático

É a relação entre a força que se opõe ao movimento deextensão de um actuador e a secção transversal internadele (área do pistão2).

1.2. Características e Vantagens da Pneumática

Comparativamente à hidráulica, a pneumática é sem dúvida o elemento mais simples,de maior rendimento e de menor custo que pode ser utilizado na solução de muitosproblemas de automatização. Fato este devido a uma série de características própriasde seu fluido de utilização, que no caso é o ar.

Em seguida, serão apresentadas essas características.




1.2.1. Quantidade

o ar para ser comprimido existe em quantidades ilimitadas.

1.2.2. Transporte

o ar comprimido é transportado por meio de tubagens, não existindo para esse caso a

necessidade de linhas de retomo, como é feito nos sistemas hidráulicos.1.2.3. Armazenagem

Ao contrário da hidráulica em que durante o funcionamento do circuito faz-senecessário o contínuo trabalho da bomba (na maioria dos casos) para a circulação dofluido que se encontra armazenado num tanque anexo ao equipamento, empneumática o ar é comprimido por um compressor e armazenado num reservatório,não sendo assim necessário que o compressor trabalhe continuamente, mas sim,somente, quando a pressão cair a um determinado valor mínimo ajustado por umpressostato.

1.2.4. Temperatura

Diferentemente do óleo que tem sua viscosidade afectada pela variação datemperatura, o ar comprimento é insensível às oscilações desta, permitindo umfuncionamento seguro, mesmo em condições extremas.

1.2.5. Segurança

O ar comprimido não apresenta perigos de explosão ou incêndio, e mesmo quehouvesse explosão por falha estrutural de um componente, tubulação, mangueira, oumesmo do reservatório de ar comprimido, a pressão do ar utilizado em pneumática érelativamente baixa (6 a 12bar), enquanto em hidráulica trabalha-se com pressões quechegam à ordem de 350 bar.

1.2.6. Limpeza

Uma vez que o fluido de utilização é o ar comprimido, não há risco de poluiçãoambiental, mesmo ocorrendo eventuais vazamentos nos elementos mal vedados. Estefacto torna a pneumática um sistema excelente e eficiente para aplicação na indústriaalimentícia e farmacêutica.

1.2.7. Construção

Uma vez que as pressões de trabalho são relativamente baixas quando comparadas àhidráulica, seus elementos de comando e acção são menos robustos e mais leves,podendo ser construídos em liga de alumínio, tornando seu custo relativamente menor,

portanto mais vantajoso.1.2.8. Velocidade

É um meio de trabalho que permite alta velocidade de descolamento, em condiçõesnormais entre 1 e 2m/s, podendo atingir 10m/s no caso de cilindros especiais e500.000 rpm no caso de turbinas pneumáticas

1.2.9. Regulação

Não possuem escala de regulação, isto é, os elementos são regulados em velocidade eforça, conforme a necessidade da aplicação, sendo da escala de zero ao máximo doelemento.




1.2.10. Segurança contra Sobrecarga

Diferentemente dos sistemas puramente mecânicos ou eletroeletrônicos, os elementospneumáticos podem ser solicitados, em carga, até parar, sem sofrer qualquer dano,voltando a funcionar normalmente tão logo cesse a resistência.

1.3. Desvantagens da Pneumática 1.3.1. Preparação

A fim de que o sistema possa ter um excelente rendimento, bem como uma prolongadavida útil de seus componentes, o ar comprimido requer uma boa preparação daqualidade do ar, isto é, isento de impurezas e humidade, o que é possível com autilização de filtros e purgadores, conforme será visto mais adiante.

1.3.2. Compressibilidade

A compressibilidade é uma característica não apenas do ar, mas também de todos osgases, que impossibilita a utilização da pneumática com velocidades uniformes e

constantes. Isto quer dizer que diferentemente da hidráulica, ou mesmo da electrónica,em controlo de servomotores para movimentos de precisão, a pneumática nãopossibilita controlo de velocidade preciso e constante durante vários ciclos seguidos.

1.3.3. Força

Considerando a pressão normal de trabalho nas redes pneumáticas industriais, ou seja,uso económico (6 bar), é possível, com o uso directo de cilindros, chegar a forças de48250 N (capacidade para erguer uma massa de 494kg) com actuador linear ISO deDp = 320mm

1.3.4. Escape de Ar

Sempre que o ar é expulso de dentro de um actuador, após seu movimento deexpansão ou retracção, ao passar pela válvula comutadora, espalhando-se naatmosfera ambiente, provoca um ruído relativamente alto, apesar de que nos dias dehoje, este problema foi quase totalmente eliminado com o desenvolvimento e aplicaçãode silenciadores.

1.3.5. Custos

Quando levados em consideração os custos de implantação dentro de uma indústria(produção, preparação, distribuição e manutenção), eles podem ser consideradossignificativos. Entretanto, o custo da energia é em parte compensado pelos elementosde preços vantajosos e rentabilidade do equipamento.

1.4. Rentabilidade da Pneumática

O que fora exposto no parágrafo anterior (1.3.5),pode levar o formando a pensar que a pneumáticaé uma energia caríssima, contudo convém lembrarque, ao efectuar um cálculo de rentabilidade real,consideram-se além do custo da energia, os custosgerais acumulados. Analisando então, desta forma,verificar-se-á que, na maioria dos casos, o custoda energia empregada para desempenhar umdado trabalho é significantemente menor quando

comparado aos salários, custos de investimentos emanutenibilidade.




Entretanto, é de extrema importância que ao instalar uma rede de pneumática numaindústria, em que haverá com certeza diversos pontos de utilização, ligações dederivação, engates rápidos, tubagens muitas vezes instaladas em locais em que há aacção corrosiva de vapores, etc., tenha-se a certeza da inexistência de pontos devazamento.Por incrível que pareça, embora o fluido de utilização para o accionamento dos

actuadores seja o ar, portanto nada mais que a própria atmosfera de nosso planeta,cuja existência é abundante, pequenos vazamentos podem tem importânciasignificativa em termos de custo, quando analisados frente à rentabilidade.Imaginemos assim, uma rede pneumática instalada em uma indústria, e que ao longode seus mais de 200m de tubagens, existissem pequenos orifícios de vazamento quesomados totalizassem uma área de 20mm2 (área equivalente a um furo de diâmetro5mm), a uma pressão de trabalho de 6 kgf/cm2 (=6bar). De acordo com diagrama deescape de ar (figura 1.3) apresentadoem seguida, isto representa, nosistema, uma perda de ar equivalentea lm3 /min.

A fim de podermos entender melhor oque representa esta perda em termosde rentabilidade, ou seja, quantidadede trabalho produzido por metrocúbico de ar (ciclos/m3), imaginemosum dispositivo pneumático de dobra,tal qual o representado na figura 1.4em seguida.

Figura 1.4 – Dispositivo de dobra.

A fim de tornar ao formando o exemplo mais real possível, os dados que serão listadosna tabela 1.1 em seguida, referentes aos cilindros pneumáticos do dispositivo,

correspondem às dimensões reais necessárias a dobragem duma chapa de aço SAE1010/1020 de dimensões (2mm x 100mm x 180mm).

Tabela 1.1 – Dados dos actuadores pneumáticos do dispositivo.

Conforme visto na tabela, são necessários 0,20311/Seg. De ar para execução datarefa. Ou seja, um ciclo completo de trabalho que consiste em:1. Colocação manual da chapa no dispositivo;2. Fixação dela por meio do avanço do actuador A;3. Execução da 1ª dobra por meio do actuador B que se mantém distendido após

finalização dela;4. Execução da 2ª dobra por meio do actuador C que, ao finalizá-la, provoca o

retorno do actuador B, bem como o próprio retorno;5. Retorno do actuador A (libertação da peça), que se dá quando os actuadores B e

C estiverem finalmente em sua posição de repouso.




Conclusão

A análise do que fora exposto permite concluirmos o quanto é rentável a pneumática ecomo ela se adapta a serviços monótonos, cansativos e repetitivos, sendo, por isso,escolhida para tais casos em substituição à energia humana. Em casos como estecitado no exemplo, seria completamente anti produtivo e nada muito económico colocarum funcionário operador de máquina viradeira (operador de grande habilidade manuale com óptima técnica para ajustes da máquina) a dobrar peça a peça. Opta-se entãopor um dispositivo pneumático manual, que pode ser operado por um simples ajudante,de custo relativamente mais baixo que o primeiro.

1.5. Propriedades Físicas do Ar

A título de uma melhor compreensão das vantagens da utilização da pneumática comomeio de automação, serão estudadas em seguida as três propriedades físicas do arque conferem à pneumática o status de meio de automatização de custo baixo, limpo ealtamente rentável.

1.5.1. Expansibilidade

O ar, bem como todos os gases, não tem forma definida, o que lhe permite adquirir aforma do recipiente que o contém, mudando-a ao menor esforço (figura 1.5).

Figura 1.5 – Expansibilidade do ar nas diversas formas pelas quais circula.

1.5.2. Compressibilidade a Temperatura Constante (Isotermia) Como fora visto, o ar expande-se ocupando totalmente o ambiente pelo qual circule.Assim, pode-se concluir que por meios mecânicos é possível levá-lo à condiçãooposta, ou seja, comprimi-lo. Desta forma, se tivermos um recipiente o qual possa serhermeticamente fechado, e o dotarmos de um mecanismo que impeça a saída desse ar(válvula de retenção), poderemos insuflá-lo nesse recipiente, em quantidade, tantoquanto se deseje, mantendo, é claro, o limite de segurança (resistência mecânica docompartimento). Quanto mais fluido for insuflado no recipiente, mais a pressão internadele aumentará (figura 1.6).

Figura 1.6 – Ar sendo insuflado em um recipiente com válvula de retenção.

Neste exemplo, o volume físico ocupado pelo ar permanece constante, entretanto, com

a injecção contínua no recipiente, as moléculas de ar começam a aproximar-se cadavez mais, aumentando a quantidade deste dentro do volume físico, demonstrandoassim a compressibilidade dos gases.




A figura 1. 7 Demonstra esta mesma propriedade aplicada agora a uma quantidade fixade ar. Quando o êmbolo é movimentado para baixo pela acção da força F, há acompressão do ar ali existente, resultando assim em uma redução de seu volume econsequente elevação da pressão.

Figura 1.7 – Ar sendo comprimido por êmbolo em um recipiente com válvula de retenção.

O que fora agora exemplificado pela figura 1. 7 Permite-nos tecer algumasconsiderações.Admitindo para o efeito de raciocínio que a relação entre os volumes ali apresentadossejam:

Ou seja, V2 equivalha a um meio de V1, e V3, a um terço de V1 Assim:

Portanto, ao aplicarmos uma forca F sobre o êmbolo levando-o para metade de suaaltura, atingiremos o volume V2 e consequentemente, pela compressão do ar ali

confinado, uma pressão P2. Baixando-o novamente para posição equivalente a umterço de sua altura, atingiremos o volume V3, a qual corresponderá uma pressão P3,que será com certeza maior que P2 e P1. Supondo que esse processo se desenvolva auma temperatura constante, isso quer dizer, uma compressão isotérmica,observar-se-á que o produto entre pressão e volume será sempre constante.

1.5.3. Elasticidade

É a propriedade que possibilita ao ar retomar a seuvolume inicial, uma vez cessado o esforço que ohavia comprimido (figura 1.9).

Figura 1.9 – Retorno do êmbolo à condição inicialcessada a força F (propriedade da elasticidade).

1.6. Lei de Gay-Lussac

1.6.1. Transformação Isobárica

A figura 1.10 apresenta um recipiente dotado de um manómetro e de um termómetro.No interior do recipiente, sob o êmbolo, há uma certa quantidade fixa de gás a umatemperatura T1 e pressão P1. O recipiente é então aquecido, elevando assim atemperatura do gás e causando com isso uma expansão térmica dele. Essa expansãoresulta na elevação do êmbolo. Entretanto, se não houver nenhuma carga crescenteaturando sobre o êmbolo, a pressão em P2 permanece inalterada(constante PI = P2). Desta forma, o quociente entre V1 e T1, assim como V2 e T2,será igual.




Como pode ser visto na figura (V1 <V2) e (T1 <T2), paraessa condição de pressão constante verifica-se aexistência de uma relação entre as variáveis de estado(V, T). Ou seja, o volume eleva-se proporcionalmenteao aumento da temperatura.

Figura 1.10 – Recipiente com gássubmetido a uma variação de temperatura

Produção e Distribuição do Ar Comprimido

2.1. Introdução Como já fora visto, a pneumática utiliza-se do ar como fonte de energia para oaccionamento de seus automatismos. Esse ar, entretanto, necessita ser colocado emdeterminadas condições apropriadas para sua utilização. São elas: pressão adequadae qualidade (isenção de impurezas e humidade). A condição de pressão adequada éconseguida com a utilização de compressores, já a de qualidade utiliza-se de recursoscomo purgadores, secadores e filtros, os quais serão abordados mais adiante.

Dois são os princípios conceptivos em que se fundamentam todas as espécies decompressores de uso industrial: volumétrico e dinâmico.Nos compressores volumétricos ou de deslocamento positivo, a elevação depressão é conseguida com a redução do volume ocupado pelo gás. Na operaçãodessas máquinas podem ser identificadas diversas fases, que constituem o ciclo defuncionamento: inicialmente, uma certa quantidade de gás é admitida no interior deuma câmara de compressão, que então é cerrada e sofre redução de volume.Finalmente, a câmara é aberta e o gás libertado para consumo.Trata-se, pois, de um processo intermitente, no qual a compressão propriamente dita éefectuada em sistema fechado, isto é, sem qualquer contacto com a sucção e adescarga. Conforme iremos constatar logo adiante, pode haver algumas diferenças

entre os ciclos de funcionamento das máquinas dessa espécie, em função dascaracterísticas específicas de cada uma.Os compressores dinâmicos ou turbo compressores possuem dois órgãosprincipais: impelidor e difusor. O impelidor é um órgão rotativo munido de pás quetransfere ao gás a energia recebida de um accionador. Essa transferência de energia sefaz em parte na forma cinética e em outra parte na forma de entalpia. Posteriormente, oescoamento estabelecido no impelidor é recebido por um órgão fixo denominadodifusor, cuja função é promover a transformação da energia cinética do gás ementalpia, com consequente ganho de pressão.Os compressores dinâmicos efectuam o processo de compressão de maneira contínua,portanto corresponde exactamente ao que se denomina, em termodinâmica, umvolume de controlo.Os compressores demaior uso na indústriasão os alternativos, depalhetas, de parafusos,de lóbulos, centrífugos eaxiais. Num quadro geral(figura 2.1), essasespécies podem serassim classificadas, de

acordo com o princípioconceptivo:

Figura 2.1 – Quadro geral de compressores industriais.




Nas aplicações industriais, normalmente são previstos compressores com grandesreservatórios a fim de atender à grande demanda de automatismos em diversospontos, que são interligados por meio de uma rede tubular, possibilitando assim suadistribuição de forma igualitária e sem perdas significativas.

No projecto de uma central de compressão, é sempre importante, quando do

dimensionamento, considerar a possibilidade e necessidade de uma futura ampliação eaquisição de novos equipamentos pneumáticos, pois um aumento na central decompressão “à posteriori" torna-se muito caro.

2.2. Processos de Compressão do Ar

Limitar-nos-emos, neste texto, a focalizar esses compressores, mesmo reconhecendoque outros podem ser eventualmente encontrados em aplicações industriais, como, porexemplo, os compressores de anel líquido e de diafragma. Especial atenção serádispensada aos compressores alternativos, centrífugos e axiais, que são, sem dúvida,os mais empregados em processamento industrial.O tipo de compressor a ser empregado é função da pressão de trabalho e volume.Basicamente, existem dois processos de compressão de ar utilizados emcompressores:

1. Processo de redução de volume (compressores alternativos);2. Processo de aceleração de massa (fluxo) – compressores dinâmicos.

2.2.1. Compressores Alternativos

Esse tipo de máquina utiliza-se de um sistema biela -manivela para converter o movimento rotativo de um eixono movimento translacional de um pistão ou êmbolo,

como mostra a figura em seguida. Dessa maneira, a cadarotação do accionador, o pistão efe tua um percurso deida e outro de vinda na direcção do cabeçote,estabelecendo um ciclo de operação.Seu princípio funcional é de entendimento relativamentesimples. Examinemos as figuras 2.2 e 2.3.

Figura 2.2 – Princípio funcional do compressor porredução de volume (alternativo).

O funcionamento de um compressor alternativo está intimamente associado aocomportamento das válvulas. Elas possuem um elemento móvel denominadoobturador, que funciona como um diafragma, comparando as pressões internas e

externa ao cilindro. O obturador da válvula de sucção se abre para dentro docilindro quando a pressão na tubulação de sucção supera a pressão interna docilindro, e se mantém fechado em caso contrário. O obturador da válvula de descargase abre para fora do cilindro quando a pressão interna supera a pressão natubulação de descarga, e se mantém fechado na situação inversa. Com isso temos asetapas do ciclo de funcionamento do compressor mostradas na figura 2.3 em seguida:

Na etapa de admissão o pistão movimenta-se em sentido contrário ao cabeçote,fazendo com que haja uma tendência de depressão no interior do cilindro que propiciaa abertura da válvula de sucção. O gás é então aspirado. Ao inverter o sentido demovimentação do pistão, a válvula de sucção se fecha e o gás é comprimido até que a

pressão interna do cilindro seja suficiente para promover a abertura da válvula dedescarga. Isso caracteriza a etapa de compressão.




Quando a válvula de descarga se abre, a movimentação do pistão faz com que o gásseja expulso do interior do cilindro. Essa situação corresponde à etapa de descargae dura até que o pistão encerre o seu movimento no sentido do cabeçote. Ocorre,porém, que nem todo o gás anteriormente comprimido é expulso do cilindro. Aexistência de um espaço morto ou volume morto, compreendido entre ocabeçote e o pistão no ponto final do deslocamento deste, faz com que a pressão no

interior do cilindro não caíainstantaneamente quando se inicia ocurso de retorno.Nesse momento, a válvula de descargase fecha, mas a de admissão só se abriráquando a pressão interna cair o suficientepara o permitir. Essa etapa, em que asduas válvulas estão bloqueadas e opistão se movimenta em sentido inversoao do cabeçote, se denomina etapa deexpansão, e precede a etapa de

admissão de um novo ciclo.Figura 2.3 – Ciclo dum compressor alternativo

Podemos concluir então que, devido ao funcionamento automático das válvulas, ocompressor alternativo aspira e descarrega o gás, respectivamente, nas pressõesinstantaneamente reinantes na tubulação de sucção e na tubulação de descarga. (Emtermos reais, há naturalmente uma certa diferença entre as pressões interna e externaao cilindro durante a aspiração e a descarga, em função da perda de carga noescoamento).As figuras 2.2 e 2.3 exemplificam um compressor de um único estágio, apropriado parapressões até 4 bar, como pode ser visto na tabela 2.1 em seguida. Entretanto, quando

há necessidade de pressões mais altas, recorre-se a compressores de dois, três oumais estágios (figura 2.4).

Tabela 2.1 – Relação Pressão x Nº de Estágios para compressores.

Figura 2.4 – Compressor de dois estágios – O ar sugado sofre dupla compressão.

Observações Nos compressores de mais de um estágio, faz-se necessário o uso de sistema de refrigeração intermediário,dada a elevação da temperatura do ar em virtude das sucessivas compressões

Pressão Nº de Estágios

Até 400 Kpa (4bar) 1

De 400 a 1500 Kpa (15bar) 2

De 1500 a 15000 Kpa (150bar) 3 ou mais




2.2.1.1. Compressor de Simples Acção

Os compressores de um ou vários estágios, citados e exemplificados anteriormente,são compressores de simples acção. Essa denominação é dada em função de obterema compressão do ar somente quando o êmbolo realiza seu movimento ascendente.

2.2.1.2. Compressor de Dupla Acção

Diferentemente dos compressores de simplesacção, os compressores de dupla acçãopossibilitam a compressão do ar em ambos ossentidos de deslocamento do êmbolo. Dessaforma, verifica-se que comparativamente aosanteriores, estes, apresentam maior eficiência,pois em um ciclo (descida e subida do êmbolo),comprimem maior volume de ar por unidade detempo (figura 2.5).Podem ainda, como os anteriores, ser de dois,três ou mais estágios, com elevada eficiência embaixa, média e altas pressões.

Figura 2.5 – Admissão e descarga em umcompressor de dupla acção

2.2.2. Compressores Rotativos

São compressores que por meio de movimentos rotacionais de elementos internospromovem, de forma directa, a sucção e compressão do ar até que ele atinja a pressãode utilização.Estão subdivididos em três grupos: 1 compressores de palhetas; 2 compressores deparafuso; 3 compressores de lóbulos (Roots).

2.2.2.1. Compressor de Palhetas o compressor de palhetas possui um rotor ou tambor central que gira excentricamenteem relação à carcaça, conforme mostra a figura 2.6 em seguida. Esse tambor possuirasgos radiais que se prolongam por todo o seu comprimento e nos quais são inseridaspalhetas rectangulares, conforme é mostrado no detalhe da figura 2.7.Quando o rotor gira, as palhetas deslocam-seradialmente sob a acção da força centrífuga ese mantêm em contacto com a carcaça. O gáspenetra pela abertura de aspiração e ocupa osespaços definidos entre as palhetas.

Novamente observando a figura, podemosnotar que, devido à excentricidade do rotor eàs posições das aberturas de aspiração edescarga, os espaços constituídos entre aspalhetas vão se reduzindo de modo a provocara compressão progressiva do gás.

Figura 2.6 – Compressor de palhetas (detalhe emcorte frontal).

A variação do volume contido entre duas palhetas vizinhas, desde o fim da admissãoaté o início da descarga, define, em função da natureza do gás e das trocas térmicas,uma relação de compressão interna fixa para a máquina. Assim, a pressão do gás nomomento em que é aberta a comunicação com a descarga pode ser diferente dapressão reinante nessa região. O equilíbrio é, no entanto, quase instantaneamenteatingido e o gás descarregado.




Figura 2.7 – Detalhe do rotor.

Este tipo de compressor possui a vantagem dofuncionamento contínuo e uniforme, fornecendo,portanto, ar livre de pulsação. Entretanto, érecomendada a instalação de uma válvula de retençãona tubulação de descarga, a fim de evitar que ele

funcione como um motor ao ser desligado.Pode também ter sua vazão modificada através de uma

regulação da excentricidade do rotor. A máxima vazão ocorre para a máximaexcentricidade, ou seja, quando o rotor é tangente ao estrator.

2.2.2.2. Compressor de Parafuso

Esse tipo de compressor possui dois rotores em forma deparafusos que giram em sentido contrário, mantendo entre si umacondição de engrenamento, conforme mostra a figura 2.8.

Figura 2.8 – Compressor de parafuso.

A ligação do compressor com o sistema se fazatravés das aberturas de sucção e descarga,diametralmente opostas, tal como indica a figura 2.9:

Figura 2.9 – Compressor de parafuso(detalhe lateral).

O gás penetra pela abertura de aspiração e ocupa os intervalos entre os filetes dosrotores. A partir do momento em que há o engrenamento de um determinado filete, o

gás nele contido fica encerrado entre o rotor e as paredes da carcaça. A rotação fazentão com que o ponto de engrenamento vá se deslocando para frente, reduzindo oespaço disponível para o gás e provocando a sua compressão. Finalmente, éa1cançada a abertura de descarga, e o gás é libertado.A relação de compressão interna do compressor de parafusos depende da geometriada máquina e da natureza do gás, podendo ser diferente da relação entre as pressõesdo sistema.Os parafusos geralmente possuem movimentos sincronizados através de engrenagense não havendo contacto metálico entre eles, é desnecessário o uso de lubrificantes.Com isso o ar fornecido não apresenta resíduos de óleo.

2.2.2.3. Compressor de Lóbulos (Tipo Roots) É constituído por um cilindro (carcaça) e dois rotores descentrados, desenhados comprecisão, a fim de que sejam constantemente tangentes ao cilindro (carcaça) etangentes entre si.A figura 2.10 mostra o funcionamento.

Figura 2.10 – Compressor de lóbulos.




As partes em cinza mostram o ar em diferentes fases. Fase A: Aspiração, pois a cavidade cinza está em comunicação com a atmosfera. Fase B: O ar (cinza) permanece na pressão atmosférica desde que as cavidades

não estejam modificando seus volumes, apesar da rotação. Fase C: Compressão, desde que haja diminuição do volume das cavidades cinzas. Fase D: Descarga do ar, desde que haja a comunicação das cavidades cinzas com

abertura de descarga.As vazões são maiores que a dos compressores alternativos a pistão, mas as pressõesatingidas são menores (40N/cm2=4bar). Por isso, são comumente empregados emsistemas de transporte, medidores de fluxo e bombas devácuo.

2.2.3. Processo de Aceleração de Massa (Compressores Dinâmicos)

2.2.3.1. Compressor Axial (Turbo compressor)

Nesse compressor, o ar, ao ser admitido, é acelerado

axialmente, ao longo do eixo, por uma série de lâminas(hélices) rotativas.Figura 2.11 – Detalhe interno de um

turbo compressor axial.

2.2.3.2. Compressor Radial (Centrífugo) É constituído por uma sucessão de rodas e pás colocadas em série sobre o mesmo eixo(figuras 2.12 e 2.13).O ar entrando pela tubulação de aspiração passa pela primeira roda dentro da qual écentrifugado e sua velocidade aumenta.Passa depois pelo difusor dentro do qual tem sua velocidade reduzida e sua pressãoaumentada.

Passa depois ao colector para então ir à segunda roda dentro da qual será submetido ànova centrifugação.

O ar é então submetido, desta forma, a um aumento progressivo de pressão desde aaspiração até a descarga.

Esses equipamentos têm alta rotação (6000r.p.m.) e uma vazão muito grande, masuma pressão de descarga pequena (20N/cm2=2bar).

Figura 2.12 – Compressor centrífugo (detalhe interno). Figura 2.13 – Compressor centrífugo (vista em corte parcial).




2.3. Características Importantes na Escolha dum Compressor

As seguintes características devem ser sempre observadas quando procedemos àescolha dum compressor:

Volume de ar fornecido

Volume teórico Volume efectivo

Pressão Pressão de regime Pressão de trabalho

Accionamento Motor eléctrico Motor a explosão

Sistema de regulação Regulação por descarga

Regulação por fechamento Regulação por garras Regulação por rotação Regulação intermitente

2.3.1. Volume de Ar Fornecido

Define-se com sendo a quantidade total em m3 de ar que pode ser fornecida pelocompressor, quando em actividade máxima. Entretanto, pode ser ainda definido deforma teórica ou efectiva.

2.3.1.1. Volume Teórico

É definido por meio de equacionando o produto do volume cilíndrico pelo número derotações do compressor. Esse dado, porém, não é de grande importância, pois naprática deve-se considerar o rendimento do compressor.

2.3.1.2. Volume Efectivo

É o valor que efectivamente será utilizado (necessário) para o accionamento ecomando dos diversos automatismos pneumáticos. Seu valor está em função daeficiência volumétrica dos compressores (rendimento), que varia de acordo com o tipode compressor.

2.3.2. Pressão

Esta característica é de extrema importância, pois é responsável pela forçadesenvolvida pelos actuadores, classificando-se assim em dois níveis:

2.3.2.1. Pressão de Regime

É a pressão efectiva fornecida pelo compressor e que se distribui por toda a linha,alimentando todos os pontos de utilização. É, portanto, a pressão com a qual o ar seencontra armazenado no reservatório. Entretanto, seu uso direito nos automatismos édesaconselhado devido às frequentes flutuações por causa da temperatura.

2.3.2.2. Pressão de Trabalho

É a pressão necessária ao accionamento dos diversos automatismos e que pelo motivo

exposto anteriormente deve ser menor que a pressão de regime. Essa redução épossibilitada com a utilização de uma válvula redutora de pressão, normalmente umconjunto "LUBRIFIL" (conjunto de válvula redutora de pressão com manómetro e




lubrificador). Dessa forma, além de reduzir a pressão, é possível mantê-la sempreconstante e com isso as forças e velocidades desenvolvidas pelos automatismospodem ser garantidas durante os processos.É comum, na indústria, adoptar como pressão de trabalho de 6kgf/cm2 (pressãoconsiderada como sendo a económica), enquanto a pressão de regime gira em tomode 7 a 8 kgf/cm2, podendo chegar até 12kgf/cm2.

2.3.3. Accionamento

o accionamento de compressores pode ser feito basicamente por motor eléctrico oupor motor a explosão (gasolina ou diesel). A escolha é dada em função danecessidade, ou seja, ambiente em que ele será instalado.

2.3.3.1. Accionamento por Motor Eléctrico

Este tipo de accionamento é o mais comum aplicado aoscompressores de uso nas indústrias e oficinas. Commotores que vão de baixas potências (0,5hp) paracompressores de uso doméstico, a grandes potências

(750hp) para uso industrial com grandes reservatórios. Figura 2.14 - Accionamento a motoreléctrico (compressor alternativo).

2.3.3.2. Accionamento por Motor a Explosão Sistema adoptado em situações em que há necessidadede um compressor de ar em regiões pouco favorecidaspor rede eléctrica, ou mesmo por questões económicasde racionamento em que o abastecimento eléctrico selimite a certo número de horas diárias. Este sistematambém, assim como o anterior, cobre uma vasta áreade configurações, desde de pequenas potências (para

pequenos compressores - figura 2.15), até grandespotências, em que são utilizados grandes motoresdiesel.

Figura 2.15 – Accionamento por motor aexplosão (compressor alternativo).

2.3.4. Sistema de Regulação

Dado que o consumo de ar pelos diversos automatismos não se faz sempre constante,é necessário então combinar o volume fornecido pelo compressor com a real demanda.Desta forma, são utilizadas, conforme o modelo de compressor, diferentes formas deregulação que operam entre valores preestabelecidos, ou seja, mantêm o sistemaoperando entre uma pressão máxima e mínima. Assim, são destacados em seguida os

sistemas de regulação mais frequentemente encontrados.2.3.4.1. Regulação por Descarga

Neste sistema, quando, durante o funcionamento docompressor, é atingida a pressão máxima que fora naregulação preestabelecida, suponhamos ser esta de9kgf/cm2, uma válvula reguladora de pressão do tipo alívioé accionada, descarregando para atmosfera o arcomprimido produzido. Somente quando a pressão da redecair ao seu valor mínimo, 6kgf/cm2, é que a válvula serátotalmente fechada, permitindo o restabelecimento da

pressão normal (figura 2.16). Figura 2.16 – Sistema de regulação porválvula de descarga




2.3.4.2. Regulação por Fechamento

Este tipo de regulação parte de uma configuraçãosemelhante à anterior, porém, em lugar da válvulareguladora de pressão, é utilizado uma válvula de 1/2(uma via e duas posições com retorno por mola). Amola, entretanto, é seleccionada de forma quepermita a comutação da válvula somente quando éatingida uma pressão máxima (pressão defechamento). Desse modo, a alimentação docompressor é interrompida, e assim permanecerá atéque a pressão do compressor caía ao nível inferiorpreestabelecido, quando então a válvula volta a abrir(figura 2.17).

Figura 2.17 – Sistema de regulaçãopor válvula de fechamento.

2.3.4.3. Regulação por Garras

Neste sistema de regulação, um mecanismo do tipo garra é accionado sempre que apressão do ar atinge um valor predeterminado, mantendo a válvula de admissão abertae com isso, durante a fase de compressão, o ar passa a ser devolvido ao ambiente.Somente após ter a pressão do reservatório retomado a um valor mínimo dedesactivação do mecanismo é que retoma o reabastecimento normal do reservatório,repetindo-se assim o ciclo continuamente.

2.3.4.4. Regulação por Rotação

Aplicada especificamente a compressores accionados por motores de combustão

interna.Neste sistema, quando atingida uma pressão máxima predeterminada há umadesaceleração do motor, reduzindo assim sensivelmente seu número de giros e,consequentemente, a aspiração de ar. Desse modo, o volume de ar a ser comprimidopor unidade de tempo torna-se sensivelmente reduzido, permitindo que o consumo darede faça com que o ar armazenado recaia até um nível mínimo predeterminado e omotor retome ao seu giro normal, reiniciando o ciclo.

2.3.4.5. Regulação Intermitente Trata-se de um sistema de regulação aplicado aoaccionamento de compressores por motoreléctrico. Um pressostato é ligado à rede dealimentação do motor, e ao ser atingida umapressão máxima admissível, programada nopressostato, ele, promove o desligamento de umachave contadora (figura 2.18). Após a pressão derede recair aos valores mínimos predeterminados,o pressostato desliga-se, reactivando ofuncionamento do motor.É normalmente aplicada a compressores depequeno porte e dependendo da frequência emque as comutações ocorrem, toma-se necessária

a utilização de grandes reservatórios. Figura 2.18 – Sistema de regulação intermitente




2.4. Distribuição do Ar Comprimido

A instalação de uma rede de ar comprimido não apenas em nível industrial, mas paraqualquer que seja a utilização, requer determinados cuidados que vão desde de alocalização da central geradora (compressores), sistema de arrefecimento (quandonecessário), dimensionamento da rede, sistemas de montagem e fixação da rede,tratamento do ar e identificação conforme normas.

2.4.1. Localização da Central Geradora

É comum, na indústria, delimitar uma área física externa à

fábrica, porém anexa a ela, sendo devidamente coberta eprotegida. Isenta de poeira e com livre fluxo de ar, em quea temperatura possa, durante todo o ano, manter-se omais estável possível em cerca de 20 a 25°C. A centralgeradora deve ainda estar bem nivelada e com fácilacesso para manutenção quando se fizer necessária.

Figura 2.19 – Exemplo de localização decentral geradora

2.4.1.1. Refrigeração da Central

Normalmente, para pequenas centrais de ar comprimido, o próprio aletamentoexistente no compressor, em conjunto com o fluxo de ar livre dentro do ambiente dacentral, é o suficiente para propiciar uma boa dissipação térmica que se origina doatrito do ar quando comprimido dentro da câmara. Entretanto, em se tratando decompressores mais potentes, com potências superiores a 40hp, aconselha-se autilização de um sistema de ventilação apropriado, com ventiladores industriais, eainda, se necessário, um sistema de refrigeração a água recirculação.Dependendo ainda da potência do compressor ou compressores e dos picos detemperatura nas épocas mais quentes do ano, a central pode ser totalmente fechada,com as paredes isoladas termicamente, porém climatizada com o uso de coolers fixosao teto, com recirculação de amónia, sendo controlados por termóstato, como ossistemas usados em câmaras frigoríficas.

2.4.2. Implantação da Rede de Distribuição

Antes de proceder ao dimensionamento da rede, com relação ao diâmetro dastubagens, perdas de carga, tratamento do ar, etc., é necessário, estabelecer por quaispontos da área de trabalhoda empresa deverá passara rede. Se por todos, ou seapenas por algunssectores, e quantos pontosde alimentação deverãoexistir. Em função dessasrespostas, poder-se-ádefinir entre uma rede decircuito aberto (figura 2.20),ou uma rede de circuitofechado (figura 2.21).

Figura 2.20 – Rede de circuito aberto




A rede de circuito aberto, conforme mostrada na figura 2.20, é indicada geralmentequando se deseja abastecer pontos isolados ou distantes. Nesse tipo de rede, o ar flúinuma única direcção, impossibilitando com isso uma alimentação uniforme em todos ospontos.

Já o sistema de rede de circuito fechadoapresentado na figura 2.21 é o maiscomum ente utilizado pela maioria dasindústrias, pois se distribui por toda aextensão da fábrica, facilitando ainstalação de novos pontos de consumoainda não previstos, bem como possibilitaque todos os pontos sejam alimentadosde modo uniforme, uma vez que o ar flúinos dois sentidos.

Figura 2.21 – Rede de circuito fechado

Independente de qual dos sistemas de rede for adoptado, é aconselhável que em cadaponto de tomada seja instalada uma válvula registro, de forma a facilitar a manutenção,permitindo assim que a tomada em manutenção seja isolada da rede, evitando destemodo seu desligamento geral.

2.4.3. Elementos de Montagem e Fixação da Rede

2.4.3.1. Fixação da Tubulação Principal (Linha Tronco)

As redes de distribuição pneumáticasnormalmente são aéreas, sendofixadas às paredes, vigas ou ao forro

por meio de ferragens apropriadas,como tirantes, pendurais, cantoneiras,etc. (figura 2.22).

Figura 2.22 – Fixação da tubulação principal da rede nas colunas. a)Por pendurais, b) por grampo.

2.4.3.2. Elementos de Composição da Rede

A figura 2.23 apresenta esquematicamente umtrecho de uma rede pneumática identificando seuselementos componentes. A linha principal (tronco), tubulação secundária

e linha de alimentação, podem serconfeccionadas em tubo de aço galvanizado oupreto (ASTM A 120 SCHEDULE 40).

A tubulação secundária deve possuir umadeterminada inclinação no sentido do fluxo.Essa inclinação facilita o recolhimento deeventuais condensações e impurezas ao longoda tubulação. A inclinação recomendada deveficar entre 0,5 a 2% do comprimento recto do

tubo. Figura 2.23 – Elementos componentes de umarede pneumática




A linha de alimentação de cada equipamento deve sair pela parte superior da linhasecundária e ser munida de um registro para que possibilite a manutenção daunidade de conservação pneumática LUBRIFIL ou do dreno, sem com issonecessitar o desligamento de toda alinha secundária e afectar os outrosequipamentos a ela conectados.

A unidade de conservação pneumáticaLUBRIFIL tem por função filtrar elubrificar o ar, além de possibilitar aregulação da pressão de alimentaçãonecessária ao accionamento doautomatismo, figuras 2.23 e 2.24.

Figura 2.24 – Unidade de conservação pneumáticaLUBRIFIL.

Devido às variações de temperatura ambiente ao longodo ano agindo sobre a tubulação da rede, o ar que porela circula sofre o efeito de condensação. Essecondensado precisa então ser recolhido a fim de evitara danificação dos vários automatismos pneumáticos.Para isso é recomendada a utilização de purgadoresinstalados ao final das linhas verticais de alimentação – figuras 2.23 e 2.25.

Figura 2.25 – Purgador instalado ao final da linhavertical de alimentação.

Em conformidade com o boletim NB-54/80 da ABNT, toda a rede pneumática deveser pintada em azul, sendo em tonalidade de acordo com a classificação 2.5PB 4/10do sistema Munsell.

2.4.4. Tratamento do Ar Comprimido

No processo de geração do ar comprido, oar atmosférico é aspirado pelo compressor,comprimido e comumente armazenado emum reservatório, como já fora visto.Entretanto, é conveniente, antes doarmazenamento, proceder a um tratamentodesse ar, bem como, também, aotratamento do ar que deixa o reservatório.

A figura 2.26 representa esquematicamenteo desenho de uma central completa detratamento e armazenamento do arcomprimido.

Figura 2.26 – Central de tratamento e armazenamentodo ar comprimido.

O ar então, após a compressão, tem sua temperatura elevada em função dos atritos, auma temperatura superior à de armazenamento, necessitando assim passar por umresfriador (1), a fim de levar-lhe a condição apropriada ao armazenamento noreservatório (10). Essa passagem através do resfriador (2) provoca, em função dadiferença de pressão e temperatura, uma condensação de pequena parte do ar, queserá separada no separador de condensados (13) e posteriormente eliminada pelopurgador (4).




Uma vez armazenado no reservatório a uma pressão de cerda de 12 kgf/cm 2 (12bar) etemperatura de 20°C, o ar pode ser utilizado quando for conveniente, entretanto suautilização deve ser precedida de novo tratamento, isso porque a acção da variação datemperatura ambiente (diferença de temperatura e pressão entre ambiente ereservatório) coloca o ar em uma condição húmida, havendo assim a necessidade deuma secagem prévia em um secador (6). Desse modo, parte do ar que não contenha

partículas d'água seguirá pelo By pass (9) alimentando a linha tronco (8), e o restantepassará pelo secador (6), em que as partículas d'água serão eliminadas, "retidas",seguindo para a linha tronco (8) somente o ar seco.

Mesmo com todo esse tratamento prévio, é necessária a utilização de purgadores naslinhas de alimentação dos automatismos, conforme fora visto na figura 2.23, pois o arque fica retido nas tubagens sofre, em parte, em função de diferenças de temperatura epressão, principalmente durante os meses de Inverno, pequena condensação, devendoassim ser elimina pelos purgadores.

2.5. Dimensionamento da Linha Principal (tronco)

Ao proceder ao dimensionamento do diâmetro mínimo necessário à linha principal, deforma que ela possa atender à pressão e vazão necessárias aos diversos pontos dealimentação que se distribuirão por dentro da fábrica, é necessário já estimar umpossível aumento de demanda ao longo dos anos. Esse dimensionamento deveconsiderar uma queda de pressão de 0,3 a 0,Skgf/cm2 do reservatório (adoptar 0,5 apartir de 500m) até o consumidor. No dimensionamento da linha tronco, devem serconsiderados os seguintes itens:

Volume de ar corrente (vazão); Comprimento total da linha tronco; Queda de pressão admissível; Número de pontos de estrangulamento; Pressão de regime.

2.6. Dimensionamento das Linhas Secundária e de Alimentação

O dimensionamento das linhas secundárias e de alimentação pode ser feito aplicandoa mesma equação 2.6. No caso das linhas secundárias, sendo todas de mesmocomprimento, divide-se o volume de ar corrente pelo número de linhas secundárias, eprocede-se ao cálculo, ajustando também a valor da variável comprimento (Lt).

2.6.1. Exemplo Prático 1

Supondo que a rede calculada anteriormentetenha a vista superior, conforme demonstrada na

figura seguinte:Os dados referentes às linhas secundárias,conforme a figura 2.28 em seguida, são osseguintes: Comprimento de tubulação linear (cada linha) Perda de carga admitida Pressão de regime Volume de ar corrente total na fábrica Aumento de capacidade prevista nos próximos

10 anos

São dez linhas secundárias de igualcomprimento. Figura 2.27 – Rede pneumática




Singularidades

3 Três roscados com fluxo pelo ramal 1 Válvula do tipo gaveta, roscada 1 Curva 90° de raio longo, roscada 1 Cotovelo comum 90°, roscado

Figura 2.28 – Detalhe de uma das linhas secundárias, com aslinhas de alimentação, apresentada na figura 2.27.

Actuadores Pneumáticos

3.1. Conceito

Actuadores pneumáticos são elementos mecânicos que por meio de movimentoslineares ou rotativos transformam a energia cinética gerada pelo ar pressurizado e emexpansão, em energia mecânica, produzindo trabalho.

3.2. Actuadores Pneumáticos Lineares

Conhecidos comum ente como cilindros pneumáticos, são elementos constituídos porum tubo cilíndrico, tendo uma de suas extremidades fechada por uma tampa, a qualcontém uma ligação que serve para admissão e exaustão do ar, e na outraextremidade, outra tampa com igual característica, porém dotada ainda de um furocentral pelo qual se movimenta uma haste que, na extremidade interna ao cilindro,possui um êmbolo com vedação, que pela acção do ar expandindo-se no interior do

tubo cilíndrico, possibilita o movimento de expansão ou retracção dessa haste.Os actuadores pneumáticos são regidos por normas internacionais, tais como: ISO 6431 e 6432 (internacional); DIN ISO 6431 e VDMA 24562 {Alemanha}; NF E 49003.1 (França); UNI 20.290 (Itália).

Estão classificados basicamente em duas famílias:1. Actuadores pneumáticos lineares de simples efeito;2. Actuadores pneumáticos lineares de duplo efeito.

3.2.1. Actuadores Pneumáticos Lineares de Simples Efeito

São actuadores cujo movimento deretracção ou expansão é feito pelaacção de uma mola interna ao tubocilíndrico "camisa" (figura 3.1),podendo ainda ter retorno por forçaexterna.São normalmente aplicados emdispositivos de fixação, gavetas demoldes de injecção, expulsão,prensagem, elevação e alimentação

de componentes.Figura 3.1 - Actuador pneumático linear de simples efeito com

retorno por mola.




3.2.1.1. Princípio Funcional

Partindo do comando de uma válvula controladora direccional que, ao ser accionada,permite que o ar comprimido provindo da linha de alimentação seja injectado atravésde uma mangueira, na ligação (1), elevando-se a pressão na câmara posterior até oponto de superar a força exercida pela mola (6), provocando com isso o movimento deextensão da haste.

Enquanto a válvula citada permanecer accionada, a pressão do ar continuará actuandono interior do cilindro pneumático, mantendo assim a haste distendida. Somente com odesligamento da válvula é que o fluxo de ar para o interior do actuador será cessado,servindo agora a mesma ligação para a exaustão do ar, em função da forçarestauradora da mola.

A mola para uso neste tipo de actuador é dimensionada para possibilitar um rápidoretorno da haste, sem, contudo, permitir que a velocidade de retorno sejademasiadamente elevada a ponto de absorver grande energia cinética e dissipá-la comgrande impacto do êmbolo no fundo da câmara, o que seria danoso ao actuador.Por questões funcionais, são desaconselhados para aplicações que requeiram cursosuperior a 100mm.

3.2.1.2. Representação Simbólica

A figura 3.2 apresenta a representação simbólica normalizada, de acordo com a normaDIN/ISO 1929 de Agosto de 1978, para esse tipo de actuador.

Figura 3.2 – Representação simbólica normalizada – (a) actuador linear de simples efeito normalmente retraído comretorno por mola – (b) actuador linear de simples efeito normalmente distendido com retorno por mola.

3.2.2. Actuadores Pneumáticos Lineares de Duplo Efeito

São actuadores em que alimentação eexaustão ocorrem por ligações localizadasem ambas extremidades do actuador.São encontrados em diâmetros comerciais,cobrindo uma faixa de diâmetros que vai,normalmente, de 32 a 320mm. Algunsfabricantes, entretanto, produzem também o

que denominam "Série Mini", que englobadiâmetros de 6 a 25mm.


Em estado normalmente não accionado, oactuador que é comandado por uma válvulacontroladora direccional é mantido recuadoem função do ar que mantém preenchida

sua câmara frontal (6). Ao ser comutada uma válvula controladora, será permitido queo ar comprimido provindo da linha de alimentação seja injectado através de umamangueira, na ligação (2), elevando-se a pressão na câmara traseira até o ponto de

superar as forças de atrito e a que estiver se opondo ao movimento da haste (10),provocando com isso sua extensão.




Enquanto a válvula controladora permanecer accionada, a pressão do ar continuaráactuando no interior do cilindro pneumático, mantendo assim a haste distendida.Somente quando a válvula é comutada novamente para o sentido oposto é que o fluxode ar para o interior da câmara traseira do actuador é cessado, servindo agora, amesma ligação para a exaustão do ar, enquanto o ar provindo da linha passa a serinsuflado pela ligação (9) à câmara frontal (6), provocando com isso o retorno da haste

(10).3.2.2.2. Representação Simbólica

A figura 3.4 apresenta a representação simbólica normalizada,de acordo com a norma DIN/ISO 1929 de Agosto de 1978, paraesse tipo de actuador

3.4 – Representação simbólicanormalizada

3.3. Actuadores Pneumáticos Lineares com Amortecimento

Tal como em automação hidráulica, em automação pneumática os amortecedores defim de curso têm mesma aplicação, que é absorver a excessiva energia cinética geradaem função da elevada velocidade de avanço ou retorno que o actuador venha adesenvolver durante seu funcionamento. Lembremos, pois, que em toda massa quandoposta em movimento, seja com velocidade constante ou variável, haverá sempre adissipação de energia cinética.Assim, quando analisamos internamente um actuador linear pneumático, observamosque o conjunto (êmbolo+haste) constitui uma massa que, quando aplicada juntamentecom a velocidade a ser desenvolvida pelo actuador, resultará na energia cinética a sergerada pelo conjunto. Essa energia cinética, ao final do curso do actuador, seráabsorvida ora pela tampa frontal (8), ora pela tampa traseira (1), conforme o movimentode extensão ou retracção da haste.

Uma vez que os actuadores pneumáticos trabalham com pressões bem mais reduzidasque os hidráulicos, como já foramcitados anteriormente, normalmentesão produzidos em ligas de alumínio,o que os tornam mais leves e maisbaratos, porém mais frágeis e assimmais susceptíveis à deformaçãoplástica.Embora a capacidade de absorção deenergia seja uma função do limiteelástico do material, a repetição cíclica

do impacto do êmbolo à grandevelocidade conduzirá à fadiga domaterial. Essa velocidade limite, à qualo amortecedor se faz realmentenecessário, gira em torno de 0,lm/sfigura 3.5

Figura 3.5 – Actuador pneumático linear de duplo efeitocom amortecimento no avanço e retorno.

3.3.1. Princípio Funcional

O princípio funcional do amortecedor de fim de curso é de entendimento bastantesimples. Observando a figura 3.5, verificamos que o actuador se encontra com a hasteem movimento de retracção, conforme a indicação da seta sobre ela, assim, aoanalisarmos a câmara traseira (3) nos momentos finais da retracção da haste (6),observamos que o conjunto êmbolo (11) + haste (6), quando da aproximação em




elevada velocidade, chegando próximo à tampa do fundo, que possui maquinado emseu centro, um furo denominado cavidade traseira (1), tem um primeiro contacto comesta, através da ponta amortecedora da haste (12), que bloqueia a referida cavidade,evitando com isso a continuidade da exaustão pela ligação (14) via cavidade traseira(1).Não mais podendo ser exaurido por esse caminho, o ar confinado no restante da

câmara traseira (3) tem como único caminho um pequeno orifício (13), cujo diâmetro émenor que o canal de ligação da cavidade (1), com a ligação de exaustão (14). Essefato, aliado ao ajuste do parafuso ligação de alimentação / exaustão (1), cria um efeitocomo se fosse uma almofada de ar, exactamente o de um amortecimento pneumático,dado que em função dessa combinação, a vazão de saída do ar sofre uma sensívelredução, diminuindo então a velocidade final, quando do impacto com o cabeço dofundo (tampa traseira).O objectivo da válvula de retenção (2) é justamente permitir o controlo da recirculaçãodo ar que restou na cavidade traseira (1), bem como parte do ar que tenta sair viaorifício (13) e ligação (14).O amortecimento na extensão da haste do actuador, quando em seu final de curso,

ocorre de forma análoga.3.3.2. Representação Simbólica

Os amortecedores de fim de curso podemser fixos ou variáveis. A figura 3.6 mostra arepresentação simbólica normalizada deacordo com a norma DIN/ISO 1929 deAgosto de 1978, para esses tipos deamortecedores.

Figura 3.6 – Representação simbólica normalizada.

3.4. Actuadores Lineares de Duplo Efeito Especiais A busca de solução para situações bem mais específicas, como, por exemplo, asimultaneidade de movimentos, o seu escalonamento, actuação com alto impacto, anecessidade de regulação de curso, velocidade altamente controlada e deslocamentosde precisão, etc., levou a pneumática a desenvolver variantes para os actuadorespneumáticos de duplo efeito.Estão relacionadas em seguida algumas dessas variantes com suas características eaplicações.

3.4.1. Actuador Linear de Haste Passante

Consiste em um actuador linear de duplo efeito, que possui duas hastes contrapostas,ligadas por intermédio do êmbolo. Este tipo de actuador permite a execução detrabalhos idênticos realizados simultaneamente, pois enquanto uma haste recua aoutra avança (figura 3.7).

Figura 3.7 – Actuador linear de haste passante com amortecedores de fim de curso.




Uma característica importante desse tipo de actuador é a sua capacidade em força deavanço e retorno que é idêntica, isso porque a força de avanço de qualquer uma dashastes é também a força de retorno da outra, uma vez que a força de avanço de ambasas hastes é dada pelo produto entre a pressão de trabalho e a área da coroa doêmbolo (figura 3.8).Além da igualdade de forças, há também a igualdade de

velocidades, pois a vazão de alimentação é a mesma,embora essa característica possa ser modificadaadicionando à ligação de alimentação, válvulascontroladoras de fluxo (redutoras de vazão).Suporta ainda cargas laterais mais elevadas, e conformea aplicação, permite que os elementos sinalizadoressejam montados na haste livre.

Figura 3.8 – Vista do corte A-A doactuador.

3.4.1.1. Representação Simbólica

Os actuadores pneumáticos lineares de haste passante têmrepresentação simbólica normalizada de acordo com a normaDIN/ISO 1929 de Agosto de 1978 para esses tipos deamortecedores.

Figura 3.9 – Representaçãosimbólica normalizada.

3.4.2. Actuador Linear Duplex Contínuo

Resulta de dois actuadores lineares de duplo

efeito de mesmo diâmetro, montados em série(figura 3.10), o que possibilita comocaracterística principal a elevação da força deavanço em (82 a 97%), e a duplicação da forçade retorno, tal como é analisado em seguida.

Figura 3.10 – Actuador linear duplex contínuo.

3.4.2.1. Análise da Força de Avanço

A força de avanço (Fa) de um actuador linear pneumático é normalmente dada pelaseguinte função: Fa = Pt.Ap.Em que Pt pressão de trabalho e Ap área do pistão

Entretanto, no tipo de actuador em questão, quando uma válvula comutadora accionarseu disparo, as conexões 1 e 3 serão alimentadas simultaneamente com uma pressãoPt, enquanto pelas conexões 2 e 4 será feita a exaustão. A força de avanço, nessecaso, será dada pela soma das forças individuais de cada actuador.Como ambos os actuadores possuem mesmo diâmetro interno e mesmo diâmetro dehaste, verifica-se da figura 3.10 a seguinte condição:A tabela 3.1 apresenta uma análise comparativaentre as forças de avanço e retorno de um actuadornormal e um actuador duplex contínuo. É possívelverificar nas duas últimas colunas à direita oaumento percentual nas forças de avanço e retornoque o segundo actuador tem em relação ao primeiro.

Figura 3.11 – Representação esquemática paraestudo de forças do actuador




Tabela 3.1 – Análise comparativa entre forças de um actuador normal e um duplexcontínuo.

3.4.3. Actuador Duplex Geminado

É uma variante de actuador duplex,modificado para atender a grandes

deslocamentos e deslocamentosescalonados, sem, no entanto a necessidadede aplicação de força elevada, podendo porisso, ter diâmetro da camisa reduzido.Sua estrutura consiste em dois actuadores

pneumáticos de duplo efeito,montados um de costas para ooutro, não necessitando termesmo diâmetro ou sequermesmo comprimento de curso(figura 3.12).

Figura 3.12 – Actuador duplex geminado.

Basicamente há duas formas variantes para essa construção, e que aqui sãoidentificadas como "caso 1" e "caso 2".

3.4.3.1. Caso 1

Consiste em um actuador duplex geminado emque ambas as hastes possuem mesmo curso(L1=L2=U2). Essa concepção construtiva permitetrês posicionamentos diferentes. A posição inicial,uma posição intermediária e posição final,

conforme representação esquemática da figura3.13.

Figura 3.13 – Actuador duplex de hastes com

igual curso.3.4.3.2. Caso 2 Consiste em um actuador duplex geminado em que as hastes possuem diferentescursos (L1 e L2). Essa concepção construtiva permite quatro posicionamentos

diferentes. A posição inicial, duasposições intermediárias e posição final,conforme representação esquemática dafigura 3.14.

Para esta configuração, tendo um doscursos comprimento igual ao dobro dooutro (L1 = 2L2), a posição intermediária 1corresponderá a 1/3 da soma dos cursos,(L1 + L2), enquanto a posição intermediária 2corresponderá a 2/3 da soma.

Figura 3.14 – Actuador duplex de hastes com cursosdiferentes.




3.4.4. Actuador Pneumático de Alto Impacto

Externamente é como um actuador normal de duplo efeito, entretanto, internamente, acâmara traseira (C) possui uma divisão formando uma pré-câmara (A), desse modo acâmara traseira fica dividida em duas partes, sendo que a ligação entre a pré-câmara e

a nova câmara traseira (agoracom metade de seu volume) sedá através de um pequenoorifício (B) que fica bloqueadopela ponta traseira da haste (D)enquanto ela estiver recolhida(figura 3.15).

Figura 3.15 – Actuador Pneumático de Alto Impacto.


Quando disparado o actuador, o ar comprimido inicialmente acessa a pré-câmara (A) e,uma vez que a área do orifício de ligação (B) é relativamente menor que a área interna

da própria pré-câmara (A), e ainda, inicialmente o orifício encontra-se bloqueado pelaponta traseira da haste (D), a pressão do ar irá elevar-se na pré-câmara, até que aforça desenvolvida possa vencer as forças opostas, fazendo com que o conjuntohaste+êmbolo inicie rápido movimento, distendendo-se e gerando grande quantidade de energia cinética.A importância do orifício (D) nessa concepção é a daprodução da elevada energia cinética necessária aesse tipo de actuador, que tem como aplicação,basicamente, os serviços de prensagem, rebitagem,cortes, etc.A alta energia cinética é gerada durante o movimento

inicial de extensão do actuador. Essa elevação éproporcional à elevação da velocidade do ar ao passaratravés do orifício (B).

Figura 3.16 - Detalhe da interfaceentre pré-câmara e câmara traseira noinício do movimento de distensão da

haste.

Da mecânica dos fluidos é sabido que o fluxo de massa (taxa de massa) de um fluidoseja ele incompressível ou compressível, permanece sempre constante ao longo deuma tubagem pela qual escoe, independente de quaisquer variações em sua secçãotransversal. Desse modo, analisando a figura 3.16, pode-se afirmar que no instante em

que se inicia o movimento da haste, depois de vencidas as forças que se contrapõemao movimento, a taxa de massa que passa pela secção transversal da pré-câmara éigual à que passa pela secção transversal do orifício.

Válvulas de Comando e Aplicações Básicas

4.1. Conceito

São todas as válvulas que, ao receberem um impulso pneumático, mecânico, oueléctrico, permitem que haja fluxo de ar pressurizado para alimentar determinado (s)elemento (s) do automatismo. Também são válvulas de comando, as que permitemcontrolar o fluxo do ar para os diversos elementos do sistema, mediante ajuste

mecânico ou eléctrico, as que permitem o fluxo em apenas um sentido, os elementoslógicos, as controladoras de pressão e as temporizadas.




4.2. Válvulas de Controlo Direccional

Conhecidas também pelo nome de distribuidores de ar, possuem dois tiposconstrutivos:

Carrete deslizante (translação); Centro rotativo (rotação).

Em pneumática os distribuidores de ar são sempre do tipo carretel deslizante. Nahidráulica é comum encontrarmos os dois tipos de construção.

4.2.1. Convenção da Representação

Uma posição é representada por um rectângulo (ver página seguinte). O número de rectângulos justapostos indica o número de posições. Os orifícios são representados por pequenos traços colocados de fora do

rectângulo, que definem a posição mais frequente (posição normal). As vias ou ligações estão indicadas por setas ligando os orifícios. Os fechamentos estão indicados por um traço curto transversal, formando um T,

colocado no interior do rectângulo. Reconhecemos as outras posições, além da posição normal, ao deslocarmos os

rectângulos para que os orifícios fiquem sobre o rectângulo apropriado. O conduto de ar comprimido é representado por um pequeno círculo marcado

internamente por outro menor e cheio, como se fosse um alvo. O conduto para a atmosfera tem um pequeno triângulo, representando a via de

exaustão.

O quadro seguinte exemplifica o que fora exposto anteriormente.




4.2.2. Estrutura Funcional Externamente as válvulas de controlo direccional apresentam-se dos mais variadostipos, pois seu formato é definido pelo fabricante (figuras 4.2 e 4.3), entretanto,internamente, a concepção funcional é sempre a mesma, ou seja, sistema de carreteldeslizante, conforme representação esquemática da figura 4.4.

Figura 4.4 – Válvula 2/3/3 mostrando posição do carretel deslizante quando em repouso, e quando actuando peladireita e pela esquerda.




4.2.2.1. Válvula Distribuidora de 1 Via /2 Orifícios

É o tipo mais simples de distribuidor que há, pois contém apenas dois orifícios e umaúnica via (figura 4.5).

Figura 4.5 – Representação esquemática simplificada de uma válvula distribuidora 112/2 e simbologia normalizada.

Na situação (a) não há nenhuma possibilidade de comunicação entre os orifícios P e A.Já na situação (b), após ter sido accionado o botão (puxado), passa a haver

comunicação entre os orifícios P e A. Essa

concepção específica é normalmenteutilizada como chave geral, permitindo oubloqueando o fluxo de ar no sistema comoum todo, ou parte do sistema - figura 4.6.

Figura 4.6 – Distribuidor 112 usado como válvula de partidae bloqueio na alimentação de um circuito pneumático.

Esse distribuidor admite variantes em seusistema de accionamento e retomo, como,por exemplo, accionamento mecânico, porpulso pneumático ou eléctrico, tendo nessas

variantes seu retorno por mola, e podendoser do tipo NF (normalmente fechado) ou NA(normalmente aberto) figura 4.7.

Figura 4.7 - Representação simbólica normalizada deum distribuidor 112 dos tipos NA e NF comaccionamento por rolete e retorno por mola.

4.2.2.2. Válvula Distribuidora de 2 Vias /3 OrifíciosJá analisamos anteriormente a concepção funcional dessa válvula no quadro 1 e figura4.4. Entretanto, além do modelo 2/3/3 lá visto, há também o tipo 2/3/2 (2 vias, 3 orifíciose 2 posições), que simbolicamente é representado pela figura 4.8.

Figura 4.8 - Representação esquemática (a) e simbólica normalizada (b) de um distribuidor 2/3/2com accionamento por alavanca.




Sua aplicação, em geral, é indicada para o comando de actuadores pneumáticos desimples efeito, como mostra a figura 4.9.O movimento da alavanca provoca a comutação do distribuidor, permitindo ou não ofluxo do ar no sentido P-A ou A-R.

Figura 4.9 - (a) Ilustração esquemática de um actuador de simples efeito comandado por um distribuidor 2/3/2, (b)Circuito simbólico normalizado.

4.2.2.3. Válvula Distribuidora de 4 Vias /5 Orifícios

Pode ser do tipo 4/5/3 ou 4/5/2 posições, com accionamento manual, mecânico,pneumático ou eléctrico figura 4.10.

Figura 4.10 - Distribuidores 4/5/3 e 4/5/2 em forma simbólica normalizada e ilustrativa do princípio funcional.

Na figura 4.10, é possível ver que o distribuidor do tipo 4/5/3 assume em seufuncionamento as três posições representadas: (a) normal central, (b) actuado

permitindo o fluxo PB e AR, (c) actuado permitindo o fluxo PA e BR. Essedistribuidor, portanto, que é de uso com actuadores lineares de duplo efeito, possibilitaa capacidade de parar em qualquer posição, pois em qualquer tempo que for desligado




(posição normal central), o fluxo de ar pelos orifícios A ou B é imediatamenteinterrompido (figura 4.11). Já o distribuidor do tipo 4/5/2, assumindo apenas os estadosindicados em (b) e (c), permite que o actuador pare somente em suas posições final einicial figura 4.12.




4.2.2.4. Válvula Distribuidora de 4 Vias / 4 Orifícios

Esta concepção de válvula pode ser de dois tipos: o 4/4/3 e o 4/4/2, e assim como ademonstrada no item anterior, também é de uso específico em actuadores lineares deduplo efeito. Raramente é utilizada em circuitos pneumáticos, porém é de extensivouso em circuitos hidráulicos.

Figura 4.13 - Distribuidores 4/4/3 e 4/4/2 em forma simbólica normalizada e ilustrativa do princípio funcional

A figura 4.13 apresentou sua forma simbólica normalizada e seu princípio funcionalinterno.

4.2.3. O Comando das Válvulas Distribuidoras

Já referimos que os diversosdistribuidores utilizados empneumática podem sercomutados por meios manuais,

mecânicos, pneumáticos eeléctricos. Assim, um simplescircuito pneumático, dotado dequatro distribuidores e umactuador pneumático linear deduplo efeito, pode serrepresentado pela simbologianormalizada conforme oexemplo em seguida.

Figura 4.14 - Circuito pneumático básico




O entendimento do circuito é bastante simples, e conforme já havíamos visto no estudodos distribuidores, sua aplicação nesse circuito pode ser descrita dessa forma:

O ar comprimido que provém da rede pneumática (1), antes de alimentar ocircuito, deve ser passado por uma unidade de conservação (2) que vai filtrá-lo elubrificá-lo.

A válvula de bloqueio (3) realiza sua função, quando da necessidade de efectuaruma parada de emergência, pois uma vez comutada, corta o fluxo de ar quealimenta as válvulas (4), (5) e (7), bem como, consequentemente, o actuadorpneumático (6).

O circuito é apresentado na figura, em sua forma desligado, e o actuadorpneumático (6) é mantido em sua posição retráctil pelo fluxo de ar comprimidoque flúi no sentido PB.

O accionamento da válvula de comando (4) gera um pulso de ar comprimido quecomuta a válvula de controlo direccional (5), ocupando a posição contrária aliapresentada, ou seja, o fluxo de ar fluirá no sentido PA, provocando assim adistensão haste.

Ao final de sua distensão, a haste, tocará o rolete da válvula fim de curso (7),comutando-a por breve tempo, e um pulso de ar comprimido que provém da linhapassará por dentro dela provocando assim uma nova comutação da válvula decontrole direccional (4), resultando então no retorno da haste.

A qualquer instante que se fizer necessário, tanto no avanço como no retorno, omovimento da haste pode ser bloqueado por meio da válvula de bloqueio (3).

Uma nova partida só será possível se novamente for pressionado o botão daválvula de comando (4).

4.3. Válvulas Controladoras de Fluxo

Sua função é controlar o fluxo de ar que alimenta um determinado componente docircuito, nesse caso, em geral, os actuadores pneumáticos.Lembrando ao leitor que fluxo C2 é o volume de fluido que flúi num intervalo detubulação em uma unidade de tempo. Normalmente dado em litros por segundo,centímetros cúbicos por segundo, ou metros cúbicos por segundo. Controlar, portanto,o volume de fluido na unidade de tempo significa controlar a velocidade, pois avelocidade de um actuador é directamente proporcional ao fluxo, e quanto maior o fluxode ar agindo sobre o actuador, maior será a sua velocidade.

As válvulas controladoras de fluxo podem ser do tipo fixa ou variável, unidireccional oubidimensional.

4.3.1. Válvula de Controlo de Fluxo Fixa Bidireccional

É assim denominada porque nãoadmite ajuste, sendo a restriçãopermanente de mesmo diâmetro, e ofluxo é controlado igualmente emambas as direcções (Cmn = Cn-m). Afigura 4.15 mostra Sua representaçãoesquemática e simbólica normalizada.

Figura 4.15 - Controladora de fluxo fixa Bidireccional (a)esquemática, (b) simbólica normalizada.

2 Normalmente é costume adoptar a letra Q para o fluxo, entretanto, como no capítulo anterior utilizamos a letra C para o

cálculo de consumo de ar (equação 3.52), que têm o mesmo significado de fluxo, manteremos assim o uso da variável




4.3.2. Válvula de Controlo de Fluxo Variável Bidireccional

Em muitas ocasiões torna-se necessário variar a intensidade do fluxo em função dealgum ajuste de operação. Para isso, essa válvula é então dotada de um parafusocónico regulável que pode aproximar-se ou afastar-se de um assento. Essa regulaçãopermite a passagem de maior ou menor quantidade de fluido através da válvula e,consequentemente, o ajuste de velocidade do actuador.

O fluxo é controlado igualmente em ambas as direcções(Cmn = Cn-m).

Figura 4.16 - Controlador de fluxo variável Bidireccional (a)esquemático, (b) simbólico normalizado.

A figura 4.17 apresenta, a título de simplesinformação ao leitor, um gráfico (fluxo versus rotação do fuso) de uma válvula comercial de umfabricante de renome.

Figura 4.17 - Gráfico de uma válvula reguladorade fluxo do Tipo GRO-1/4.

4.3.3. Válvula de Controlo de Fluxo Variável Unidireccional

Essa válvula apresenta um dispositivo de controlo de fluxoe uma válvula de retenção incorporada no mesmo corpo.No sentido de passagem mn, o ar flúi livremente atravésda válvula de retenção que se abre. No sentido nm, aválvula de retenção fecha-se, impedindo o fluxo eobrigando o ar a passar pela via [p] em que a restrição é

controlada por um parafuso de ajuste. Desta forma, quantoao fluxo de ar, verifica-se que C m n > C n m.

Figura 4.18 - Controlador de fluxo variávelunidireccional - (a) esquemático, (b) simbólico

normalizado.

4.4. Válvulas de Bloqueio

4.4.1. Válvula de Retenção com Mola

Neste tipo de válvula, um elemento de vedação em seu interior é fixo a uma mola,permitindo o fluxo do fluido em um sentido e bloqueando-o no outro. O bloqueio se dá

pela força de expansão da mola, que mantém o elemento de vedação constantementefechando a passagem em um dos sentidos.Na figura 4.19 é mostrado o desenho esquemático duma válvula comercial, cujoprincípio de bloqueio é de fácil verificação, pois quando o fluxo do fluido se dá nosentido AB, o ar pressiona o elemento vedante empurrando-o, fluindo então, atravésde janelas circulares existentes no seu entorno, seguindo em direcção a B. Entretanto,

se houver fluxo de ar no sentido BA, ele encontrará a molacompletamente distendida, bloqueando com o elemento devedação a passagem do ar para A.Outro ponto é que no sentido de fluxo AB, pela necessidadede vencer a força de oposição da mola, deve haver umapequena queda de pressão, porém pouco significativa.

Figura 4.19 - (a) Esquemático de uma válvula de retenção com mola, (b) Simbologia normalizada.




4.4.2. Válvula de Retenção sem Mola

De forma análoga à anterior, permite o fluxo de ar somenteem um sentido (AB), bloqueando no outro (BA) com umelemento de retenção interno activado pela própria pressãodo fluido.

Figura 4.20 - (a) Esquemático de uma válvula de bloqueio sem mola, (b) simbologia normalizada.

4.4.3. Válvula Selectora (Função Lógica OU)

Apresenta três orifícios: duas entradas de pressão (X - V), um ponto de saída (A) e umelemento interno. Com o envio de um sinal a umadas entradas, desloca-se o elemento selectorinterno e automaticamente a outra entrada ficabloqueada e o sinal flúi para utilização. Terminadoo fornecimento de ar, o selector interno mantém aposição adquirida (em função do último sinal

enviado) e o ar que foi utilizado retorna pelomesmo trajecto.

Figura 4.21 - (a) Esquemático de uma válvula doTipo OU, (b) Simbologia normalizada.

Havendo coincidência de sinais nas duas entradas, prevalecerá o sinal que atingirprimeiro a válvula. No caso de pressões diferentes, a pressão mais intensa passarápara o ponto de utilização, impondo bloqueio à pressão de menor intensidade.

4.4.4. Válvula de Simultaneidade (Função Lógica E)

A exemplo da válvula selectora, também possui duas entradas de pressão (X - V), umponto de saída (A) e um elemento interno. Este, no entanto, difere do anterior na suaforma construtiva e, consequentemente, na característica de funcionamento da válvula.Enviando um sinal a uma das entradas, o elemento se desloca bloqueando a própriaentrada que recebeu o sinal, e deixando livre a entrada oposta que, ao receber pressãode alimentação, permite a passagem para a utilização (saída).O termo simultaneidade decorre da necessidade de existir pressão em ambas as

entradas para que haja passagem de fluxo.Existindo coincidência de sinais nas duasentradas, prevalece o último sinal a atingir aválvula, no caso de pressões iguais. No caso depressões diferentes, a pressão menos intensa

passa para o ponto de utilização devido aobloqueio imposto pela pressão de maiorintensidade.

Figura 4.22 - (a) Esquemático de uma válvula de simultaneidade, (b)Simbologia normalizada.

4.4.5. Válvula de Escape Rápido

Sua aplicação tem por objectivo aumentar as velocidades desenvolvidas pelosactuadores pneumáticos lineares. A velocidade de escape do ar contido no interior doactuador é o fato r determinante para a rapidez de movimentação desejada. Paraconseguir tal rapidez, a pressão numa das câmaras deve ter caído apreciavelmenteantes que a pressão na câmara oposta aumente o suficiente para ultrapassá-la e paraimpulsionar o ar residual através da tubulação secundária e válvulas.




Com o uso da válvula de escape rápido, a pressão no interior da câmara caibruscamente; a resistência oferecida pelo ar residual (que é empurrado) éreduzidíssima e o ar flúi directamente para a atmosfera, percorrendo somente um nipleque liga a válvula ao actuador, em vez de percorrer a tubulação que faz a suaalimentação.

O ar comprimido, ao alimentar a válvula,

comprime uma membrana contra uma sedeem que se localiza o escape, liberando umapassagem até o ponto de utilização.Cessada a pressão de entrada, a membranaé deslocada da sede do escape, passando avedar a entrada.

Figura 4.23 - (a) Esquemático de uma válvula de escaperápido, (b) Simbologia normalizada.

Essa movimentação é provocada pela acção do ar contido na câmara do actuador queage sobre o outro lado da membrana e a desloca, pois não encontra resistênciaoferecida pela pressão. Dessa forma o escape fica livre e o ar é expulso rapidamente,

fazendo com que o pistão adquira alta velocidade.O barulho da exaustão pode ser reduzido pela utilização de um silenciador acoplado àsaída da válvula.

4.5. Válvulas Controladoras de Pressão

São válvulas que influenciam ou sofrem influência em relação a uma determinadaintensidade de pressão. Entre elas podem ser destacadas:

1. Válvula de alívio ou limitadora de pressão;2. Válvula de sequência;3. Válvula reguladora de pressão.

4.5.1. Válvula de Alívio ou Limitadora de Pressão

Sua função é limitar a pressão máxima de um reservatório, linha de ar comprimido oucompressor. Seu funcionamento consiste no posicionamento de um êmbolo ou esferasobre uma sede, através de uma mola que teve sua tensão ajustada por um sistema deparafuso e porca de regulação. Havendo um aumento de pressão acima do regulado, o

êmbolo ou esfera se desloca da sede,fazendo com que o excesso de ar tenhacaminho livre para a atmosfera. Com oequilíbrio de pressão a mola posiciona oêmbolo ou esfera na sede e a válvula sefecha.

Figura 4.24 - (a) Esquemático de uma válvula de alívio,(b) Simbologia normalizada.

4.5.2. Válvula de Sequência

Tem basicamente o mesmo funcionamento da válvula de alívio, porém a saída do ar éutilizada para comandos ou emissão de sinaisem qualquer elemento pneumático. Este tipo deválvula é utilizado, por exemplo, nos esquemaspneumáticos das máquinas quando queremosdetectar a finalização de um movimento sem a

presença de um fim de curso.Figura 4.25 - (a) Esquemático de uma válvula de sequência, (b)

Simbologia normalizada.




4.5.3. Regulador de Pressão

É o elemento que está na entrada de ar da máquina (na unidade de condicionamento).Tem como função controlar a "energia" pneumática fornecida ao sistema em questão.

O funcionamento do regulador depressão consiste na comparação dedois tipos de energia, a mecânica e ade pressão (pneumática), separadaspor um diafragma e o conjuntoobturador apoiado nele. Havendo umdesequilíbrio de energia, o sistema semovimenta, proporcionando a suaequalização. Por exemplo: tendo umaqueda de pressão, o diafragma semovimenta impulsionado pela mola,fazendo com que o obturador se abra,permitindo a passagem de ar para o

sistema ser equalizado.

Figura 4.26 - (a) Esquemático de uma válvulareguladora de pressão, (b) Simbologianormalizada.

4.6. Aplicações Básicas

Com o que fora visto no capítulo actual e no anterior, é possível montar pequenoscircuitos básicos de pneumática, utilizando o chamado Método Intuitivo. Este método éassim chamado porque é restrito a soluções simples, em que normalmente sãoaplicados não mais que um actuador e três ou quatro válvulas de comando. Não sendo,

portanto, necessário aplicação de diagramas para análise de sequências demovimentos, tempos, funções lógicas, etc., tópicos que serão abordados nos capítulosseguintes.


Controle de velocidade de um actuador de simples efeito.As figuras 4.27a e 4.27b apresentam um actuador linear de simples efeito, tendo suavelocidade controlada por meio de uma válvula reguladora de fluxo (1). Observe o seuposicionamento em ambas as situações. Na situação (a) a esfera bloqueia o fluxo do ardirectamente para o actuador, sendo então o fluxo desviado para a restrição regulável

e daí seguindo para alimentação 0.0actuador, configurando assim um controle develocidade no avanço. Já na situação (b) aesfera da válvula reguladora de fluxo (1)bloqueia e exaustão do ar, redireccionando-a através da restrição regulável, o que gerauma contrapressão à pressão da mola,reduzindo assim a velocidade de retorno.

Figura 4.27 - (a) Controle de velocidade no avanço,(b) Controle no retorno.





Accionamento em dois pontos diferentes, avanço acelerado e velocidade controlada noretorno.A figura 4.28 é dotada de um elemento lógico OU (figura 4.21) que tem por finalidadepermitir a comutação da válvula de comando (8) de dois pontos diferentes (4 e 6).

Qualquer uma dasduas válvulas que foraccionada irá comutaro distribuidor (8).O circuito é tambémdotado de uma válvulade escape rápido (9)cujo objectivo épossibilitar um avançoacelerado do actuador,enquanto sua

velocidade de retornoserá controlada pelaválvula reguladora defluxo (7).

Figura 4.28 - Circuito com elemento OU, regulação de velocidade e válvula de escape.


Prensa rebitadora pneumática - Aplicação do elemento lógico E.

A figura 4.29 apresenta um típico circuito para uma prensa rebitadora pneumática.Esse tipo de prensa é comum ente usado na indústria, em linhas de montagem,

sendo de porte pequeno e normalmente montada sobre uma mesa, em que umoperador posiciona o rebite e a peça sob a prensa e a acciona para que o punção,ao descer sobre o rebite, expanda-o, realizando a operação de rebitagem.O objectivo do elemento lógico E (5) nesse circuito é garantir a segurança dooperador, pois a prensa só será accionada se as válvulas (4) e (6) foremsimultaneamente accionadas, ou seja, ele terá de usar ambas as mãos, evitandocom isso a possibilidade de acidentes com uma das mãos ao tentar reposicionar apeça enquanto dispara o punção com a outra mão.A válvula de escape rápido (9)tem por objectivo possibilitaruma grande aceleração nodeslocamento de avanço, a fimde desenvolver uma elevadaenergia cinética para transferirao rebite e deformá-lo. Oactuador pneumático (11) serádo tipo de alto impacto,conforme estudado no ponto3.4.4 do capítulo anterior, e avelocidade de retornocontrolada por uma válvula

reguladora de fluxo (7).Figura 4.29 – Circuito de uma prensa rebitadora

pneumática.





Há três situações práticas de elevada importância quantoà aplicação de válvulas de controlo de fluxo unidireccionale bidireccional que o projectista jamais deve esquecer.

4.6.4.1. Regulação de Fluxo na Alimentação Este sistema deve ser utilizado somente para actuadoresde simples efeito ou actuadores pequenos de duplo efeito,pois variações de carga mesmo muito pequenas levam aum movimento não regular da haste do êmbolo, portantoinadequado para aplicações mais precisas.

Figura 4.30 - Controle de velocidadena alimentação.

4.6.4.2. Regulação de Fluxo na Descarga

Neste sistema o êmbolo é apertado entre asalmofadas de ar, e com a alimentação livre do artêm-se movimentos regulares mesmo comvariações de carga.

Regulação da velocidade através doestrangulamento do ar de escape após a válvulade comando. Com válvulas de 4/5/3 com aposição central bloqueada, evita-se quasecompletamente uma continuação do curso emcaso de parada em qualquer posição, por isso

são bastanterecomendadas

Figura 4.31 - Controle de velocidade na descarga.

Figura 4.32 - Controle de velocidadeno escape.

4.7. Válvulas de Temporizadoras

No item 4.5.2, vimos à válvula de sequência, cuja função é possibilitar o disparo desequências de movimentos, ou mesmo retorno de actuadores, sem necessitar deválvulas de fim de curso, isto é, programando-as simplesmente para disparar empressões diferenciadas. Por exemplo; supondo necessitarmos disparar uma sequênciade três actuadores, é possível com a referida válvula, programar um actuador paradisparo com 6bar, o segundo com 7bar e o terceiro quando a pressão atingir os 8bar.Analisando o fato, é possível então, verificarmos que esse diferencial de pressão de 1bar entre os disparos ocorrerá durante um tempo ∆t qualquer o qual é ignorado, pois oque nos interessa, no caso da válvula de sequência, é o diferencial de pressão.




Porém, quando há necessidade que um determinado disparo de actuador ocorraexactamente dentro de um tempo estabelecido, em função de um dado processo, porexemplo, torna-se necessária a utilização de um controlador de tempo, que pode serum temporizador electrónico que actuará uma válvula eletropneumática, ou ainda umaconfiguração híbrida pneumática, resultante da junção de uma válvula distribuidora2/3/2 com um pequeno reservatório e uma controladora de fluxo, sendo que a válvula

2/3/2 só é comutada após ter sido o reservatório abastecido totalmente.

Figura 4.33 - (a) Válvula pneumática de retardo comercial; (b) Tipo VZB-3-1/4normalmente aberta; (c) Tipo VZOB-3-1/4 normalmente fechada.

Nesse caso, há uma relação entre o tempo de abastecimento do reservatório, o fluxode alimentação e a comutação da válvula, sendo que esse tempo é marcado atravésde um parafuso de ajuste dotado de uma escala, que regula o fluxo do ar deenchimento.A figura 4.33 mostrou uma dessas válvulas de um conhecido fabricante e seurespectivo símbolo normalizado

4.7.1. Exemplo Prático

O exemplo seguinte apresenta através das figuras 4.34 e 4.35 uma semi-automátização dumdispositivo de termoformagem.

Figura 4.34 - Circuito de semi-automatização de um dispositivo de termoformagem.




Este exemplo é dito como sendo uma semi-automatização em virtude de o controle deaquecimento da chapa, posicionamento sobre o plugue macho e accionamento doplugue fêmea não constarem de um único circuito. Nesse exemplo, parte-se de umpressuposto que após a chapa ter atingido a temperatura de termoformagem, umtermóstato soará um alarme e então um operador posicionará a chapa que se encontrafixa a uma grade, entre os dois plugues, e manualmente accionará a válvula (4), dandoinício ao processo de termoformagem (figura 4.34) que se desenvolve como descritoem seguida.

O accionamento da válvula (4) irá gerar um pulso pneumático que comutará odistribuidor (5).

O distribuidor (5), uma vez comutado, possibilita o avanço do plugue (7) e oconsequente fechamento do molde (figura 4.35), além de simultaneamente alimentara válvula de retardo (6).

O reservatório da válvula de retardo(6), o qual tem seu tempo deenchimento controlado pela válvula

controladora de fluxo que oantecede, passa então a serpreenchido.

A comutação da válvula de retardodar-se-á no instante em que seureservatório estiver cheio e tiveratingido com isso a pressão decomutação.

Uma vez comutada a válvula deretardo, o fluxo da linha passará

através dela accionando o retornodo distribuidor (5) e o consequenteretorno do plugue, concluindo assimo processo

Figura 4.35 - Dispositivo de termoformagem




4.8. Exercícios

1 Conceptualmente pode-se afirmar quanto às válvulas de comando:a Somente as válvulas destinadas a promover o avanço ou o retorno dos

actuadores pneumáticos são efectivamente válvulas de comando.b Os elementos lógicos E são apropriados para comandos de disparo em mais de

uma posição.c Todas as válvulas que por comutação alimentam actuadores, bem como os

elementos lógicos E, OU, controladoras de pressão, fluxo, sequência etemporizadas, são classificadas como válvulas de comando.

2 Válvulas de fim de curso normalmente são do tipo:a 2/2/2b 2/3/3c 1/2/2

3 A denominação 2/3/3 significa:a Dois orifícios, três vias e três posições.

b Duas vias, três orifícios e três posições.c Duas posições, três vias e três orifícios.

4 Para o accionamento e alimentação de um actuador pneumático linear de simplesefeito, a válvula de comando recomendada é a do tipo:a 1/2/2b 2/3/2c 4/5/2

5 Em uma válvula selectora (função lógica OU) pode-se afirmar:a No caso de coincidência de sinais nas conexões X e Y, a pressão menos intensa

passará para o ponto de utilização A.b No caso de coincidência de sinais nas conexões X e Y, a pressão mais intensa

passará para o ponto de utilização A.c Ambos os sinais passarão para o ponto de utilização.

6 Quanto às válvulas de sequência, é correcto afirmar:a São programadas em função de diferencial de tempo.b Funcionam exactamente igual às reguladoras de pressão.c São programadas em função do diferencial de pressão.

7 Quanto às válvulas de escape rápido, é correcto afirmar:a Não possuem relação nenhuma com a energia cinética desenvolvida pelo

actuador durante seu movimento.b Possibilitam maior aceleração do actuador em virtude de expulsar para

atmosfera grande parte do ar da câmara interna do actuador, eliminando assimmais rapidamente a contrapressão oferecida pela resistência do ar residual.

c São válvulas eminentemente silenciosas.

8 Explique e exemplifique por que não é aconselhável o uso de válvulas de regulaçãode fluxo na alimentação de actuadores de duplo efeito de cursos médios ou longos.

9 Justifique a perfeita funcionalidade de reguladores de fluxo quando utilizados nadescarga dos actuadores de duplo efeito, bem como a vantagem de utilizá-los noescape de válvulas 4/5/3.




Comando sequencial de trajectória programada de dispositivo decorte

Solução Pneumática




Diagrama Funcional do Dispositivo de Dobra

Em exercícios anteriores, já foi utilizada a figura exemplo de um dispositivode dobra cujo diagrama funcional é apresentado em seguida:

Dispositivo de dobra.

Princípio Funcional do Dispositivo

1. A chapa é posicionada manualmente sobre a mesa do dispositivo, sendo que

um encosto ao fundo e outro ao lado garantem o paralelismo eperpendícularismo da dobra.2. Um botão de partida E0 é accionado para activar o ciclo de dobra, que só pode

ser iniciado se os actuadores A, B e C estiverem recuados e pressionando osfins de curso E1, E3 e E5.

3. Há ainda um botão E7 que activa a parada de emergência.

Passo 1 - Dada a partida, o actuador A se distende, fixando por pressão a chapa sobrea mesa.

Passo 2 - Ao fixar a chapa, o actuador A pressiona o fim de curso E2 que dispara o

actuador B para realizar a 1ª dobra.Passo 3 - Ao final da primeira dobra, o actuador B pressiona o fim de curso E4 que

provoca seu retorno, e ao pressionar E3, activa o actuador C.

Passo 4 - O actuador C se distende e realiza a 2ª dobra.

Passo 5 - O retorno do actuador C será dado pelo fim de curso E6.

Passo 6 - Ao retomar, o actuador C pressiona E5 que provoca o retorno do actuador Aque, ao pressionar novamente E1, encerra o ciclo.




Circuito Pneumático do dispositivo de dobra




Exemplos de utilização de soluções pneumáticasSeleccionador de laranjas

Solução Pneumática




Dispositivo para termoformagem




Solução Pneumática para dispositivo de termoformagem




Normas e Tabelas

Simbologia Pneumática Normalizada

A simbologia apresentada em seguida está de acordo com a norma DIN/ISO 1929 de Agosto

de 1978, ainda hoje vigente.

A.1.1. Transformadores de Energia

PneumaticaTJ

Documents

Transcript of PneumaticaTJ