UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO – UFOP
ESCOLA DE MINAS – EM
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO-CECAU
ELEMENTOS DE PNEUMÁTICA E AUTOMAÇÃO,
CLASSIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE
ATUADORES: APLICAÇÃO AO CASO DE PLATAFORMAS
DE EMBARQUE DE DEFICIENTES FÍSICOS EM
VEÍCULOS DO TRANSPORTE URBANO COLETIVO
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
ROMULO RODRIGUES DE FARIA
Ouro Preto, 2007
AUTOR – ROMULO RODRIGUES DE FARIA
ELEMENTOS DE PNEUMÁTICA E AUTOMAÇÃO,
CLASSIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE
ATUADORES: APLICAÇÃO AO CASO DE PLATAFORMAS
DE EMBARQUE DE DEFICIENTES FÍSICOS EM
VEÍCULOS DO TRANSPORTE URBANO COLETIVO
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Controle e Automação
da Universidade Federal de Ouro
Preto como parte dos requisitos para a
obtenção de Grau de Engenheiro de
Controle e Automação.
Orientador: Prof. Dr. Luiz Joaquim Cardoso Rocha
Co-orientador: Prof. Dr. Milton Realino de Paula
Ouro Preto
Escola de Minas - UFOP
Abril/ 2007
AGRADECIMENTOS
A Deus pela dádiva da vida, por estar sempre presente em meu caminho e por me dar
forças e coragem para sobrepor os desafios do dia-a-dia.
Aos meus amados pais Romeu e Terezinha pelo exemplo de vida, dedicação e empenho.
Por prover-me as condições necessárias nesses anos de estudos e para a realização deste
trabalho; e por muitas vezes abdicarem aos seus próprios sonhos para que os meus se
tornassem possíveis de serem realizados.
À minha irmã e a toda minha família pelo incentivo constante e por nunca terem
deixado que o desânimo tomasse conta de minha pessoa.
Aos professores Luiz Joaquim e Milton Realino pela orientação e por serem uma
referência na realização deste trabalho.
Aos irmãos da República Pureza por muitas horas abdicarem ao uso do computador,
mesmo quando isso era necessário, para que a realização deste trabalho fosse possível.
Pelos anos de convivência, pela amizade e companheirismo, pelos momentos de risos e
de tristezas, muito mais momentos de alegria, é verdade. E por ao longo desse tempo
terem me tornado uma pessoa melhor. VALEU DEMAIS GALERA!!!
Aos amigos do curso pelas risadas, pelas brincadeiras, pelas “ferrações” nas
madrugadas e por encararem juntos os desafios da Engenharia. Pelo incentivo constante
e por muitas vezes terem me “carregado nas costas”.
A todos os professores por sempre se esfoçarem ao máximo para que nós alunos
evoluíssemos cada vez mais e por sempre estarem dispostos a repassar seus
conhecimentos. Aos funcionários da Universidade por tornarem mais acolhedor o local
onde muitas vezes eu passei a maior parte dos meus dias.
A todos vocês, O MEU MUITO OBRIGADO!!!
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS....................................................................................................VII
LISTA DE TABELAS......................................................................................................X
I - INTRODUÇÃO............................................................................................................1
1.1 – O que é pneumática? ...........................................................................................1
1.2 – Classificação dos grupos de pneumática.............................................................2
1.2.1 – Pneumática de baixa pressão......................................................................2
1.2.2 – Pneumática de pressão normal...................................................................2
1.2.3 – Pneumática de pressão alta.........................................................................3
1.3 – O que é um circuito eletropneumático automatizado?........................................3
1.4 – Características físicas do ar comprimido.............................................................4
1.5 – Vantagens e limitações do uso do ar comprimido...............................................5
1.5.1 – Vantagens do uso do ar comprimido..........................................................6
1.5.2 – Limitações do uso do ar comprimido.........................................................6
II – PRODUÇÃO, TRATAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO........7
2.1 – Compressores......................................................................................................9
2.1.1 - Compressores de deslocamento positivo...................................................10
2.1.1.1 – Compressores alternativos...............................................................11
2.1.1.2 – Compressores rotativos....................................................................12
2.1.1.2.1 – Compressores rotativos de parafusos.................................12
2.1.1.2.2 – Compressores rotativos de palhetas....................................13
2.1.1.2.3 – Compressor roots................................................................14
2.1.2 – Compressores de deslocamento dinâmico................................................15
2.1.2.1 - Compressor dinâmico de fluxo radial..............................................16
2.1.2.2 - Compressor dinâmico de fluxo axial................................................16
2.1.3 - A escolha do tipo de compressor a ser usado............................................18
2.2 - Equipamentos destinados ao tratamento do ar comprimido..............................19
2.2.1 - Resfriador posterior..................................................................................21
2.2.2 - Filtros de ar comprimido..........................................................................22
2.2.3 - Secadores de ar comprimido...................................................................23
2.2.3.1 - Secagem por refrigeração.................................................................24
2.2.3.2 - Secagem por absorção......................................................................25
2.2.3.3 Secagem por adsorção........................................................................26
2.2.4 - Unidade de condicionamento de ar comprimido......................................27
2.3 – Reservatório......................................................................................................28
2.4 - Redes de distribuição de ar comprimido...........................................................30
III - ELEMENTOS DE UM CIRCUITO ELETROPNEUMÁTICO AUTOMATIZADO...33
3.1 - Elementos de sinal.............................................................................................34
3.1.1 - Sensores magnéticos................................................................................35
3.1.2 - Sensores óticos.........................................................................................36
3.1.3 - Sensores indutivos....................................................................................37
3.1.4 - Sensores barométricos..............................................................................38
3.1.5 – Botoeiras..................................................................................................39
3.1.6 - Chaves fim de curso.................................................................................40
3.2 - Elementos de trabalho.......................................................................................40
3.3 - Elementos de comando......................................................................................41
3.3.1 - Válvulas de controle direcional................................................................42
3.3.2 - Válvulas de bloqueio................................................................................46
3.3.2.1 - Válvula de retenção..........................................................................47
3.3.2.2 - Válvula de escape rápido..................................................................48
3.3.2.3 - Válvula de isolamento ou elemento “OU”.......................................48
3.3.2.4 - Válvula de simultaneidade ou elemento “E”....................................49
3.3.3 - Válvulas de controle de fluxo...................................................................50
3.3.3.1 - Válvulas de controle de fluxo unidirecional....................................50
3.3.3.2 - Válvulas de controle de fluxo bidirecional......................................51
3.3.4 - Válvulas de controle de pressão...............................................................52
3.4 - Elementos de controle......................................................................................53
3.4.1 - Os PLC’s..................................................................................................54
IV - CLASSIFICAÇÃO DOS ATUADORES PNEUMÁTICOS...................................56
4.1 - Cilindros pneumáticos.......................................................................................56
4.1.1 - Cilindro de simples efeito ou simples ação..............................................57
4.1.2 - Cilindro de duplo efeito ou dupla ação....................................................59
4.1.2.1 - Cilindro de dupla ação com haste dupla...........................................60
4.1.2.2 Cilindro duplex contínuo ou tandem..................................................61
4.1.2.3 - Cilindro duplex geminado ou de múltiplas posições.......................62
4.1.2.4 - Cilindro de impacto..........................................................................63
4.1.2.5 - Cilindros com amortecimentos.........................................................64
4.1.2.6 Cilindros sem haste.............................................................................64
4.2 - Motores a ar comprimido ou motores pneumáticos..........................................65
4.2.1 - Motores de pistão.....................................................................................66
4.2.2 - Motor de palhetas.....................................................................................67
4.2.3 - Motores de engrenagem.................................................................................68
4.2.4 - Turbomotores ou turbinas.........................................................................69
4.2.5 - Características gerais dos motores pneumáticos............................................70
4.3 - Osciladores pneumáticos...................................................................................70
V - DIMENSINAMENTO DO CONJUNTO CILINDRO E VÁLVULA......................72
VI - APLICAÇÃO AO CASO DAS PLATAFORMAS DE EMBARQUE...................78
6.1 – Dimensionamento do atuador linear.................................................................80
6.2 - Simulação dos resultados com o uso do software FluidSim P..........................86
6.3 Considerações finais em relação ao caso das plataformas de embarque.............92
VII – CONCLUSÃO.......................................................................................................93
VII – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................94
ANEXO A - TABELA DE SELEÇÃO DOS CILINDROS DA SÉRIE 3400 .................-
ANEXO B - DIAGRAMAS ELETRO-HIDRÁULICOS DOS MODELOS DAS
PLATAFORMAS DE EMBARQUE MKS 250 PDO E MKS 300 PDO..........................-
ANEXO C - SIMBOLOGIA PNEUMÁTICA...................................................................-
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 – Gráfico do campo de aplicação da tecnologia pneumática...........................1
Figura 1.2 – Exemplo de um sistema de eletropneumático automatizado........................3
Figura 1.3 – Exemplo prático de expansibilidade.............................................................5
Figura 2.1 – Fonte de ar comprimido, incluindo produção e distribuição.........................7
Figura 2.2 – Gráfico da umidade relativa do ar.................................................................8
Figura 2.3 - Classificação dos compressores.....................................................................9
Figura 2.4 – Princípio de funcionamento de um compressor alternativo........................10
Figura 2.5 – Compressores alternativos de simples e de duplo efeito.............................11
Figura 2.6 – Compressor rotativo de duplo parafuso......................................................13
Figura 2.7 – Compressor rotativo de palhetas.................................................................14
Figura 2.8 – Compressor roots........................................................................................15
Figura 2.9 – Compressor dinâmico com fluxo radial com 3 estágios............................16
Figura 2.10 – Compressor dinâmico de fluxo radial......................................................17
Figura 2.11 – Fotografia tirada na oficina de reparo de turbinas da PETROBRÁS........18
Figura 2.12 – Produção de ar comprimido em função da pressão...................................19
Figura 2.13 – Seqüência de equipamentos recomendados pela ISO 8573-1...................20
Figura 2.14 – Resfriador posterior...................................................................................21
Figura 2.15 – Filtro de ar comprimido............................................................................22
Figura 2.16 – Secagem do ar por refrigeração.................................................................24
Figura 2.17 – Secagem por absorção...............................................................................25
Figura 2.18 – Secagem por adsorção...............................................................................27
Figura 2.19 – Unidade de condicionamento de ar comprimido......................................28
Figura 2.20 – Reservatório de ar comprimido e seus componentes................................29
Figura 2.21 – Redes de distribuição de ar comprimido...................................................31
Figura 2.22 – Parte de uma rede de ar comprimido com inclinação...............................32
Figura 3.1 – Ilustração de um sensor magnético.............................................................35
Figura 3.2 – Sensor magnético instalado em um cilindro...............................................35
Figura 3.3 – Sensor ótico de barreira...............................................................................36
Figura 3.4 – Sensor ótico reflexivo.................................................................................37
Figura 3.5 – Sensor ótico retro-reflexivo.........................................................................37
Figura 3.6 – Foto de um sensor indutivo.........................................................................38
Figura 3.7 – Sensor barométrico......................................................................................38
Figura 3.8 – Fotos dos dois tipos botoeiras.....................................................................39
Figura 3.9 – Chave fim de curso acionada por rolete mecânico......................................40
Figura 3.10 – Acionamentos musculares.........................................................................45
Figura 3.11 – Tipos de acionamentos mecânicos............................................................45
Figura 3.12 – Tipos de acionamentos pneumáticos.........................................................46
Figura 3.13 – Válvula de retenção com mola..................................................................47
Figura 3.14 – Construção de uma válvula de escape rápido...........................................48
Figura 3.15 – Válvula de isolamento ou elemento OU...................................................49
Figura 3.16 - Válvula de simultaneidade ou elemento E.................................................50
Figura 3.17 – Válvula de controle de fluxo unidirecional...............................................51
Figura 3.18 – Válvula de controle de fluxo bidirecional.................................................52
Figura 3.19 – Válvula de alívio.......................................................................................53
Figura 3.20 – Diagrama de funcionamento de um PLC..................................................55
Figura 4.1 – Cilindros pneumáticos de simples ação......................................................58
Figura 4.2 - Cilindro de simples ação comandado por uma válvula direcional..............58
Figura 4.3 – Cilindro de dupla ação................................................................................59
Figura 4.4 – Exemplo de cilindros de dupla ação comandados por válvulas..................60
Figura 4.5 – Cilindro pneumático de dupla ação com haste dupla..................................61
Figura 4.6 – Cilindro pneumático duplex contínuo ou tandem.......................................61
Figura 4.7 – Cilindro pneumático geminado duplex ou de múltiplas posições...............62
Figura 4.8 – Cilindro de impacto.....................................................................................63
Figura 4.9 – Cilindro com amortecimentos.....................................................................64
Figura 4.10 – Cilindro sem haste.....................................................................................65
Figura 4.11 – Motores pneumáticos de pistão.................................................................67
Figura 4.12 – Princípio de funcionamento do motor pneumático de palhetas................68
Figura 4.13 – Motor pneumático de engrenagens...........................................................69
Figura 4.14 – Exemplo construtivo de turbomotor..........................................................69
Figura 4.15 – Osciladores pneumáticos...........................................................................71
Figura 5.1 – Seção transversal de uma válvula direcional..............................................73
Figura 5.2 – Circuito com cilindro e válvula direcional..................................................75
Figura 6.1 – Dimensões construtivas das plataformas....................................................80
Figura 6.2 – Seqüência de movimentos da plataforma....................................................81
Figura 6.3 – Tela principal do software FluidSim P........................................................86
Figura 6.4 – Parâmetros de configuração do cilindro......................................................87
Figura 6.5 – Segunda tela de configuração do cilindro...................................................88
Figura 6.6 – Terceira tela de configuração do cilindro....................................................88
Figura 6.7 – Configuração da válvula direcional............................................................89
Figura 6.8 – Configuração do compressor.......................................................................90
Figura 6.9 – Avanço do cilindro com a velocidade de projeto........................................90
Figura 6.10 – Amortecimento no fim de curso................................................................91
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Classes de qualidade do ar comprimido segundo a Norma ISO 8573-1....20
Tabela 2.3 – Perdas com vazamentos de ar nas tubulações.............................................32
Tabela 3.1 – Características funcionais dos tipos de sensores citados............................34
Tabela 3.2 – Símbolos utilizados para indicar a utilização da via...................................43
Tabela 3.3 – Regras para identificação dos orifícios ou conexões de válvulas..............44
Tabela 4.1 – Classificação dos atuadores pneumáticos rotativos....................................66
Tabela 4.2 – Especificações de alguns dos modelos de osciladores pneumáticos..........71
Tabela 5.1 – Simbologia de parâmetros e variáveis........................................................73
Tabela 6.1 – Diâmetros comerciais de cilindros pneumáticos........................................83
Tabela 6.2 – Escolha do coeficiente de montagem da haste...........................................84
Tabela 6.3 – Parte da tabela de seleção do valor de Tp...................................................85
Tabela 6.4 – Diâmetro da haste.......................................................................................85
RESUMO
Esta pesquisa destina-se ao estudo dos elementos relacionados à tecnologia
pneumática, tecnologia esta que vem cada vez mais apresentando aplicabilidade em
termos industriais. Tarefas tais como a mudança de peças em correias transportadoras,
elevação de peças, estampagem e curvatura de placas metálicas, se tornam muito mais
fáceis de serem realizadas com o uso de um circuito eletropneumático automatizado,
além de apresentarem a vantagem de um menor contato do operador com a máquina,
possibilitando assim, dentre outras vantagens, uma redução no número de acidentes.
Para tal, aborda-se neste trabalho não só a utilização do ar comprimido pelos
atuadores pneumáticos, que são os equipamentos destinados a converter a energia
pneumática contido no ar comprimido em energia mecânica; a produção, tratamento e
distribuição do ar comprimido também é tema de relevância, bem como também a
discussão em relação a uma possível montagem eletropneumática das plataformas de
embarque de deficientes físicos nos veículos do transporte urbano coletivo, montagem
esta que hoje em dia se faz por meio da tecnologia eletro-hidráulica.
ABSTRACT
This article presents a study of the related elements of the pneumatic
technology that comes presenting a big industrial applicability. Works, such as the
change of parts in transporting leather straps, rise of parts, stamping and bending of
metallic plates, if become easier to be carried through with the use of an automatized
eletropneumatic circuit, beyond presenting the advantage of a lesser contact of the
operator with the machine, reducing the number of accidents.
For such, this article approached is not only the use of compressed air for the
pneumacic actuators, that are the equipments destined to convert the pneumatic energy
contained into the air compressed in energy mechanics; the production, treatment and
distribution of compressed air also are relevance subject, as well as also the quarrel in
about a possible eletropneumatic assembly of the platforms of embarkment of
physicists deficient in the vehicles of the collective urban transport, assembly this that
nowadays becomes by means of the electrohydraulic technology.
I. INTRODUÇÃO
1.1 O que é pneumática ?
Conforme proposto pela norma ISO 5598 do ano de 1985, que se refere a
sistemas e componentes hidráulicos e pneumáticos, mais precisamente sobre suas
terminologias, pneumática é a ciência ou a tecnologia que trata do uso do ar ou dos
gases neutros como meio de transmissão de potência.
No caso deste trabalho em especial, o gás estudado será o ar comprimido.
Tal fluido será responsável por transmitir energia pneumática aos atuadores, fazendo
assim com que estes possam convertê-la em trabalho mecânico ou torque, como será
melhor detalhado mais adiante neste estudo.
O campo de aplicação da pneumática é bastante vasto, estando esta
tecnologia presente em praticamente todos os setores de uma fábrica e nos mais
diversos segmentos da indústria (BELAN, 2005).
A Figura 1.1 é um gráfico (força de atuação em Newton X velocidade de
atuação em milímetros por segundo), do campo de aplicação da pneumática, comparado
a outras tecnologias como a hidráulica, por exemplo.
Figura 1.1 - Gráfico (força de atuação em Newton X velocidade de atuação em
milímetros por segundo). Fonte: BELAN, 2005.
1.2 Classificação dos grupos de pneumática
Devido a grande aplicabilidade da pneumática, conforme mencionado na
seção anterior, convenciona-se delimitar o amplo campo de trabalho possível de ser
realizado por meio do ar comprimido.
Esta delimitação, ou melhor, a classificação dos grupos de pneumática
acontece basicamente pela faixa ou nível de pressão a que está submetido um
determinado sistema.
Apenas como forma comparativa, assim como na eletricidade que estabelece
três níveis básicos para a voltagem; a pneumática também possui níveis pré-definidos
para a pressão, são eles: baixa pressão, pressão normal ou média pressão e alta pressão
(REIS, 2004).
Neste ponto, vale ressaltar que estes valores podem sofrer pequenas
flutuações, de acordo com a fonte literária adotada.
1.2.1 Pneumática de baixa pressão
É a parte da pneumática que engloba processos envolvendo níveis de pressão
até, aproximadamente, 1,5 bar. Estão nesta categoria todos os sistemas para a execução
de tarefas que não requerem a produção de um torque tão elevado.
1.2.2 Pneumática de pressão normal
Engloba processos alimentados por pressões que estão na faixa entre 1,5 e 16
bar, é esta a faixa de valores de pressão mais utilizada em escala industrial, conhecida
como pressão econômica.
1.2.3 Pneumática de pressão alta
Engloba as aplicações especiais da pneumática. Não se trata mais aqui dos
comandos utilizados na pneumática convencional, ou seja, em pressões que atingem
valores de até 16 bar. É uma faixa de pressão que apresenta custo elevado de produção e
é de difícil obtenção, sendo assim utilizada apenas em aplicações especiais.
1.3 O que é um sistema eletropneumático automatizado?
Um sistema eletropneumático automatizado, como será detalhado no
capítulo 3, é basicamente uma montagem na qual variáveis como abertura e fechamento
de válvulas de controle, avanço e retorno de cilindros pneumáticos, dentre outras, são
controladas com tempos pré-programados para a sua ocorrência, bem como a duração
de tal acontecimento, (DE NEGRI, 2001). A figura 1.2 mostra um exemplo de um
sistema eletropneumático automatizado de uma máquina embaladora.
Figura 1.2 – Exemplo de um sistema de automação empregando PLC e sua correlação
com um sistema automático. 1- lugar para depósito de embalagens, 2- válvulas e
cilindros, 3 – sensores, 4 – PLC. Fonte: DE NEGRI, 2001.
1.4 Características e propriedades físicas do ar
O ar que se respiram é composto basicamente de Nitrogênio e Oxigênio,
porém existem alguns outros gases diluídos nesta mistura. Mais precisamente, segundo
a Norgren Herion Industrial, temos o ar atmosférico como sendo uma composição de
78,09% de Nitrogênio, 20,95% de Oxigênio, 0,93% de Argônio e 0,03% de outros
gases.
Apesar de o ar apresentar algumas características que em um primeiro
momento o torne de uma difícil percepção, tais como o fato de ser insípido, inodoro e
incolor, pode-se concluir que o ar tem existência concreta, ocupando lugar no espaço e
possuindo
propriedades
físicas
importantes,
tais
como
compressibilidade,
expansibilidade, elasticidade e difusibilidade (PARKER AUTOMATION, 2000).
Pode-se dizer, de maneira resumida, que compressibilidade é a propriedade
que o ar possui de reduzir o seu volume quando submetido à aplicação de forças
opostas, de fora para dentro, ou seja, forças essas que provocam um aumento da pressão
e uma conseqüente redução do volume ocupado por ele. Esta talvez seja para a
Pneumática a propriedade física mais importante relacionada ao ar atmosférico, visto
que, como será abordado mais adiante, é por meio da compressão do ar atmosférico que
é gerada a energia pneumática, que posteriormente é convertida em transmissão de
potência ou trabalho pelos atuadores.
Em contrapartida, a expansibilidade pode ser definida como sendo uma
propriedade oposta à compressibilidade, de maneira que esta é a propriedade que o ar
apresenta de aumentar seu volume quando submetido à aplicação de forças externas,
neste caso de dentro para fora. Porém este aumento de volume pode ocorrer até mesmo
na ausência de aplicação de forças externas, como pode ser visto no exemplo prático
apresentado na Figura 1.3, onde na situação inicial, a válvula intermediária está fechada,
sendo ela aberta em seguida, possibilitando ao ar ocupar um volume maior em relação
ao inicial.
Elasticidade, como em outros materiais, é a propriedade que o ar possui
quando submetido um determinado esforço, deformar-se, retornando ao seu estado
inicial quando este esforço é cessado.
Figura 1.3 – Exemplo prático de expansibilidade. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
Já para o caso da difusibilidade, pode-se defini-la como sendo a capacidade
do ar de quando colocado em presença de um outro meio gasoso qualquer, misturar-se a
ele.
Outra importante propriedade relacionada ao ar, ainda não citada, é a baixa
viscosidade, ou seja, a resitência que o ar apresenta ao escoar. Quanto mais viscoso é
um fluido, quanto mais “grosso” é ele, maior será sua viscosidade (WIKIPÉDIA, 2006).
1.5 Vantagens e limitações no uso do ar comprimido
As vantagens e limitações no uso da pneumática são decorrentes
basicamente de duas importantes propriedades físicas citadas acima, são elas:
•
Compressibilidade;
•
Baixa viscosidade.
1.5.1 Vantagens do uso do ar comprimido
São apontadas como características vantajosas na utilização do ar
comprimido e da tecnologia pneumática, dentre outras:
•
O ar pode ser encontrado em quantidades ilimitadas em praticamente todos os
lugares;
•
É facilmente transportável por tubulações;
•
O ar pode ser armazenado em reservatórios;
•
Funcionamento seguro, mesmo quando exposto a variações na temperatura;
•
Não apresenta perigo de explosão ou de incêndio;
•
O ar comprimido é limpo, não poluindo o ambiente;
•
O ar comprimido permite alcançar velocidades de trabalho relativamente altas;
1.5.2 Limitações do uso do ar comprimido
São apontadas como desvantagens na utilização do ar comprimido, dentre
outras:
•
O ar comprimido requer uma boa preparação, impurezas e umidade devem ser
evitadas, pois provocam desgastes indesejados;
•
Devido à alta compressibilidade do ar não é possível manter uniformes e
constantes as velocidades dos pistões;
•
Limitação das forças máximas de trabalho;
•
O escape de ar é ruidoso;
•
O ar comprimido é uma fonte de energia que possui um custo de produção
elevado, apesar de o ar ser facilmente encontrado na natureza.
II. PRODUÇÃO, TRATAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO
Como mencionado na seção 1.4, a compressibilidade do ar talvez seja sua
propriedade física mais importante no que tange à pneumática. Será por meio da
compressão do ar atmosférico que este adquirirá um aumento em sua energia interna,
produzindo assim a energia pneumática que será utilizada no acionamento dos
atuadores.
O equipamento destinado a realizar esta compressão é denominado
compressor. Compressores são equipamentos mecânicos destinados à realização do
aumento da energia utilizável de gases como, por exemplo, o ar (SANTOS, 2006).
Um sistema típico de produção, tratamento e distribuição de ar comprimido
é mostrado na Figura 2.1, nele podemos observar, dentre outros, a presença de
equipamentos tais como o reservatório, o resfriador posterior, o separador de
condensado, o secador, além do compressor já mencionado.
Figura 2.1 – Fonte de ar comprimido, incluindo produção, distribuição e
condicionamento. Fonte: DE NEGRI, 2001.
Todos estes equipamentos citados trabalham em conjunto na busca de um
mesmo objetivo, a busca na excelência da qualidade do ar comprimido. Quanto maior
for sua qualidade, quanto mais livre de impurezas estiver o ar, mais eficiente se tornará
a execução do trabalho a ser realizado, e conseqüentemente, maior será a economia
gerada com a produção de ar comprimido.
Além de uma indesejada queda no rendimento do serviço, impurezas
provocam muitas vezes avarias nos equipamentos pneumáticos, além de falhas no
funcionamento dos mesmos. Portanto, ferrugem, partículas de sujeira, restos de óleo e
umidade devem sempre ser evitados (REIS, 2004).
É necessária uma atenção especial para a umidade presente no ar
comprimido. Quando o ar comprimido resfria certa quantidade de água condensa Esta
presença de vapor d’água contida é uma porcentagem do ar atmosférico e é medida em
Umidade Relativa (%UR) (NORGREN HERION IND., 2006).
A Figura 2.2 é um exemplo em forma de gráfico da proporção máxima de
água que pode ser mantida em forma de vapor à uma determinada temperatura.
Figura 2.2 – Gráfico Temperatura °C por gramas de vapor de água/ metro cúbico de ar.
Fonte: NORGREN, 2006.
Deve sempre ser considerado, ao se fazer um projeto, a aquisição de novos
equipamentos pneumáticos, ou seja, um aumento no consumo de ar comprimido. Por
isso se torna necessário sobredimensionar a instalação de produção e distribuição, para
que no futuro não se venha a constatar que ela está sobrecarregada. Uma ampliação
posterior da instalação se torna invariavelmente muito cara (PARKER AUTOMATION,
2001).
Os equipamentos e dispositivos envolvidos na produção, tratamento e
distribuição de ar comprimido serão abordados mais detalhadamente a seguir.
2.1 Compressores
Como já foi exposto de forma sucinta anteriormente, compressores são
máquinas destinadas basicamernte a elevar a pressão do ar, admitido em condições
atmosféricas, tornando-o útil às mais variadas tarefas e aplicações.
A classificação dos tipos de compressores se dá basicamente levando-se em
consideração os aspectos construtivos, bem como também o princípio de funcionamento
que proporciona a ele a possibilidade de uma elevação da pressão do ar.
Levando-se em consideração o princípio de funcionamento responsável pela
elevação da pressão, podemos destacar dois tipos básicos:
•
Compressores de deslocamento positivo;
•
Compressores de deslocamento dinâmico.
Estes dois tipos apresentam ainda subdivisões, como pode ser observado no
diagrama da Figura 2.3.
Figura 2.3 - Classificação dos compressores. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
Os vários tipos de compressores apresentam diferenças entre si, portanto, ao
se fazer a escolha por um deles deve-se levar em consideração aspectos como a vazão
fornecida, pressão, etc. (METALPLAN, 2006).
Deve-se também levar em consideração alguns cuidados quanto à
localização da instalação dos compressores, locais com boa ventilação, livres de poeiras
e com baixa umidade devem ser preferidos, bem como locais livres de altas
temperaturas.
2.1.1 Compressores de deslocamento positivo
Os compressores de deslocamento positivo se baseiam no princípio de
redução de volume para a compressão do ar. Consegue-se a compressão aqui sugandose o ar para dentro de uma câmara fechada, e diminuindo-se posteriormente o tamanho
deste ambiente (REIS, 2004).
Quando uma certa pressão é atingida, esta provoca a abertura de válvulas de
descarga, ou simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga durante a redução
do volume da câmara de compressão (PARKER AUTOMATION, 2000)
Este princípio de funcionamento pode ser melhor observado na Figura 2.4.
Figura 2.4 – Princípio de funcionamento de um compressor alternativo. Fonte:
CABANO, 2006.
Na admissão do ar, o pistão se movimenta em sentido contrário ao cabeçote,
fazendo com que aumente o volume da câmara, o que propicia a abertura da válvula de
sucção, aspirando assim o ar.
Ao inverter-se o sentido de movimentação do pistão, a válvula de sucção se
fecha e o gás é comprimido até que se atinja uma pressão interna de funcionamento
ideal, o que provoca a abertura da válvula de descarga, caracterizando a etapa de
compressão.
Quando a válvula de descarga se abre, a movimentação do pistão faz com
que o gás seja expulso do interior do cilindro. Essa situação corresponde à etapa de
descarga e dura até que o pistão encerre o seu movimento no sentido de encontro ao
cabeçote (CABANO, 2006).
Existem dois tipos básicos de compressores com este tipo de configuração,
um denominado alternativo, e outro denominado rotativo. Os principais compressores
com estes aspectos construtivos serão citados a seguir.
2.1.1.1 Compressores alternativos
Neste tipo de construção, como pode ser observado na Figura 2.5, um
conjunto biela-válvula é responsável por converter o movimento rotativo de um eixo em
um movimento translacional de um pistão (CABANO, 2006).
Figura 2.5 – Compressores alternativos de simples e de duplo efeito. Fonte, REIS, 2004.
A cada rotação do conjunto biela-válvula, o pistão efetua um movimento de
ida e outro de volta em direção ao cabeçote, finalizando assim um ciclo.
Os compressores de simples efeito possuem apenas uma câmara de
compressão.
Quando se deseja a obtenção de pressões mais elevadas, existe a
possibilidade da construção de um compressor com mais de uma câmara de
compressão, como pode ser visto na parte da direita da Figura 2.5.
Nestes compressores o ar é comprimido por um êmbolo, passa por um
resfriador intermediário, conhecido como aftercooler, e enviado à uma segunda câmara
de compressão, sendo o volume desta segunda câmara menor do que a o volume da
primeira (REIS, 2004).
2.1.1.2 Compressores rotativos
São os compressores cujo processo mecânico comprime o ar por meio da
movimentação de espirais internas que aumentam a sua energia cinética do. O
compressor rotativo dispensa um maior número de peças móveis, o que proporciona a
ele menores perdas mecânicas por atrito, este fato diminui também a necessidade de
lubrificação. Portanto, acontece também menor contaminação de ar com óleo
lubrificante (ARSINCO, 2007).
Outro aspecto muito importante deste tipo de compressor, prende-se ao fato
da economia de energia, com maiores rendimentos volumétricos e menores fugas de ar;
devido ao fato da ausência de válvulas de admissão e descarga. Este aspecto colabora
também para uma menor necessidade de manutenção desses compressores.
2.1.1.2.1 Compressores rotativos de parafusos
Os compressores de parafuso podem ser construídos com um, ou dois eixos.
Nos compressores com apenas um eixo, um parafuso helicoidal girante
aumenta a energia cinética do ar, que é aprisionado contra a carcaça do equipamento e
impulsionado para frente por meio da rotação do parafuso.
Porém no tipo mais utilizado destes compressores, dois rotores em forma de
parafuso helicoidal giram em sentido contrário, sincronizados por engrenagens, como
pode ser visto na Figura 2.6. Esta rotação desloca o ar para frente, reduzindo o espaço
disponível para ele, provocando assim a compressão (SANTOS, 2006).
Figura 2.6 – Compressor rotativo de duplo parafuso. Fonte: CABANO, 2006.
Os compressores de parafusos apresentam dimensões pequenas e permitem
alcançar altas rotações, porém, o consumo de potência é maior se comparado aos
compressores de pistões (SANTOS, 2006).
2.1.1.2.2 Compressores rotativo de palhetas
O compressor de palhetas possui um rotor central que gira excentricamente
em relação a uma carcaça, ou corpo do compressor, que possui aberturas de entrada e
saída. Esse rotor possui rasgos radiais que se prolongam por todo o seu comprimento,
onde são dispostas palhetas retangulares (CABANO, 2006).
Quando o rotor gira, as palhetas, devido à ação da força centrífuga, são
impulsionadas contra a parede da carcaça, e devido à excentricidade do rotor, há um
aumento e diminuição constantes das células formadas pelas palhetas, o que possibilita
a compressão e descarga do ar (REIS, 2004).
As vantagens deste compressor estão no fato dele apresentar uma construção
com dimensões reduzidas; e um funcionamento silencioso, contínuo e equilibrado,
gerando assim fornecimento de ar uniforme e livre de pulsações.
Figura 2.7 – Compressor rotativo de palhetas. Fonte: REIS, 2004.
2.1.1.2.3 Compressor roots
O funcionamento deste tipo de compressor é simples, nele existem duas
rodas dentadas que giram dentro de uma carcaça, intercaladas com ar a uma rotação prédeterminada, ocasionando assim uma depressão de um dos lados, onde acontece a
aspiração do ar; e uma sobrepressão do outro lado, onde acontece a descarga. Como
pode ser visto na Figura 2.8.
Este tipo de construção é ideal quando se deseja conseguir uma taxa de
compressão baixa, porém com uma grande vazão de ar comprimido (SANTOS, 2006).
Figura 2.8 – Compressor roots. Fonte: REIS, 2004.
2.1.2 Compressores de deslocamento dinâmico
A construção deste tipo de compressor funciona segundo o princípio da
aceleração do fluxo da massa de ar. Nele acontece a sucção de ar de um lado e
compressão do outro, por aceleração da massa, ou seja, a elevação da pressão é obtida
por meio da conversão de energia cinética em energia de pressão, durante a passagem
do ar através do compressor (PARKER AUTOMATION, 2000).
Como dito, o ar admitido do lado da sucção é colocado em contato com
rotores dotados de alta velocidade, conhecidos como impulsores, sendo então o ar
acelerado, aumentando assim sua velocidade, e consequentemente sua energia cinética.
A transformação desta energia cinética em pressão acontece por meio de um
retardamento do fluxo do ar, do lado oposto à sucção. Esta desaceleração do fluxo de ar
acontece pela passagem dele por dutos que vão se estreitando gradativamente,
conhecidos como difusores.
Os compressores dinâmicos apresentam ainda três tipos diferentes de
construção, fluxo radial, fluxo axial, e um terceiro conhecido como ejetor, sendo este
não muito comum.
2.1.2.1 Compressor dinâmico de fluxo radial
Este tipo de compressor, conhecido também como centrífugo, caracteriza-se
pelo fato de a admissão do ar acontecer no sentido axial, sendo porém ele conduzido e
acelerado internamente no sentido radial do compressor, ou seja, 90º em relação ao
eixo; para então expulso pela extremidade oposta à admissão (SANTOS, 2006).
Quando vários estágios estão reunidos em uma mesma carçaça, o ar passa
pelo difusor antes de ser conduzido ao centro de rotação do estágio seguinte, causando a
conversão de energia cinética em energia de pressão (PARKER AUTOMATION,
2000).
Na Figura 2.9 pode ser visto um compressor dinâmico de fluxo radial com 3
estágios.
Figura 2.9 – Compressor dinâmico com fluxo radial com 3 estágios. Fonte: REIS,
2004.
2.1.2.2 Compressor dinâmico de fluxo axial
Nos compressores de fluxo axial, como pode ser visto na figura 2.10, o ar é
acelerado por meio de turbinas, e o seu escoamento acontece no sentido do eixo do rotor
(NEBRA, 2000).
Figura 2.10 – Compressor dinâmico de fluxo radial. Fonte: REIS, 2004.
Estes tipos de compressores, são geralmente construídos sob uma
configuração de múltiplos estágios, com turbinas posicionadas em série, o que aumenta
o poder de compressão..
A Figura 2.11 mostra uma foto tirada pela turma da disciplina de Máquinas
Térmicas da Profª. Silvia Azucena Nebra, da UNICAMP, em visita à oficina de
reparação de turbinas da PETROBRÁS S.A., na cidade de Macaé, no estado do Rio de
Janeiro. Nela pode ser observado a construção interna de um compressor axial de 11
estágios.
Figura 2.11 – Fotografia tirada na oficina de reparo de turbinas da PETROBRÁS S.A.
em Macaé R.J. Fonte: FEM/UNICAMP, 2000.
2.1.3 A escolha do tipo de compressor a ser usado
Como mostrado nas seções anteriores, estão disponíveis no mercado vários
tipos e modelos de compressores de ar.
Um sistema de ar comprimido eficiente começa pela escolha mais adequada
do tipo de compressor mais indicado para realizar uma determinada atividade. Essa
escolha é função da vazão, pressão e nível de pureza exigidos para tal tarefa
(METALPLAN, 2006).
No gráfico da Figura 2.12 estão indicadas as capacidades, em quantidade de
ar aspirado e respectiva pressão alcançada para os principais tipos de compressores.
Figura 2.12 – Produção de ar comprimido em função da pressão para os diversos tipos
de compressores. Fonte: REIS, 2004.
2.2 Equipamentos destinados ao tratamento do ar comprimido
Como já foi dito no início deste capítulo, a qualidade do ar comprimido é de
suma importância para que se obtenha a realização de uma determinada tarefa não só de
forma eficiente, mas também de uma maneira econômica (REIS, 2004).
A contaminação do ar comprimido é a soma da contaminação do ar ambiente
com outras substâncias que são introduzidas durante o processo de compressão. O ar
ambiente é contaminado por partículas de natureza sólida, tais como a poeira, por vapor
d’água, além de poluentes gasosos.
Durante o processo de compressão, o ar é contaminado também pelo óleo
lubrificante do compressor e por partículas sólidas provinientes do desgaste das peças
móveis do mesmo. Na tubulação de distribuição, o ar comprimido ainda pode arrastar
ferrugem e outras partículas.
A qualidade do ar comprimido pode ser classificada em quatro níveis, como
descritos a seguir (MSPC, 2007) .
•
Ar de respiração: hospitais, cilindros para mergulho, respiradores industriais
para trabalhos de pintura, jatos de areia, etc;
•
Ar de processo: indústria eletrônica, de alimentos e farmacêutica;
•
Ar de instrumentos: laboratórios, pinturas, etc;
•
Ar industrial: ferramentas pneumáticas e uso geral.
Basicamente, os teores de contaminação por poeiras, água e óleo definem o
nível de qualidade do ar.
A pressão e a temperatura elevada do ar potencializam os efeitos prejudiciais
de todos esses contaminantes. Por outro lado, a redução gradual da temperatura do ar
comprimido ao longo da tubulação causa a condensação de alguns deles, como é o caso
da umidade presente no ar atmosférico (METALPLAN, 2006).
Ao atingirem a fase de condensado, esses contaminantes estarão presentes no
fluxo de ar comprimido sob diferentes formas, desde um pequeno filete líquido
depositado nas partes inferiores da tubulação, passando por pequenas gotas e chegando
a partículas microscópicas, conhecidas como aerosóis, dispersas entre as moléculas do
ar comprimido.
A norma internacional ISO 8573-1 de 2004 é a referência central sobre a
qualidade do ar comprimido. Na Tabela 2.1. podem ser analisadas as classes de
qualidade do ar comprimido em função dos seus três contaminantes típicos: água, óleo e
partículas sólidas, onde o ponto de orvalho pressurizado representa a temperatura na
qual o ar comprimido pode ser resfriado antes que o vapor d’água presente no ar
começar a condensar-se, transformando-se partículas d’água.
Tabela 2.1 – Classes de qualidade do ar comprimido segundo a Norma ISO 8573-1
Fonte: NORGREN, 2007.
A mesma norma ISO 8573-1 de 2004 recomenda uma seqüência padrão de
equipamentos, mostrada na Figura 2.13, que auxilia num melhor tratamento do ar
comprimido industrial. Tais equipamentos serão estudados nas seções a seguir.
Figura 2.13 – Seqüência de equipamentos recomendados pela ISO 8573-1. Fonte:
METALPLAN, 2006.
2.2.1 Resfriador posterior
A função do resfriador posterior, também conhecido como aftercooler, é
reduzir a temperatura do ar que deixa o compressor para níveis próximos da temperatura
ambiente, por isso de o seu posicionamento ideal ser logo após à saída do compressor.
Com isso, obtém-se uma grande condensação dos contaminantes gasosos, especialmente
o vapor d’água (METALPLAN, 2006).
Em termos construtivos, podemos dizer que o resfriador posterior é um
trocador de calor que pode ser resfriado pelo ar ambiente ou também por água. Um
exemplo pode ser visto na ilustração da Figura 2.14.
Figura 2.14 – Resfriador posterior. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
Outra parte importante constituinte de um resfriador posterior é o separador
de condensados. O separador de condensados fica posicionado na saída do resfriador e
possui um formato sinuoso, fazendo com que quando da passagem do ar por esse
caminho, a água condensada seja eliminada, ficando retida em uma câmara, de onde
será eliminada para a atmosfera por meio de um dreno, conhecido também por
purgador; podendo este último ser automático ou manual (PARKER AUTOMATION,
2000).
2.2.2 Filtros de ar comprimido
Pode-se definir filtragem como sendo o uso de dispositivos capazes de
conter as impurezas presentes no fluxo de ar comprimido, estes dispositivos são os
filtros (PARKER AUTOMATION, 2000).
O filtro de ar comprimido pode ser posicionado de três posições diferentes
numa instalação: antes e depois do secador de ar comprimido e também junto ao ponto
de uso. O secador de ar comprimido é um equipamento que será estudado mais adiante.
O filtro instalado antes do secador, ou pré-filtro, tem por função separar o
restante da contaminação sólida e líquida remanescente do resfriador posterior,
protegendo assim o secador contra o excesso de óleo oriundo do compressor de ar, o
que poderia diminuir a eficiência.
O filtro instalado após o secador, ou pós-filtro, é responsável pela eliminação
da pequena umidade residual não removida pelo separador de condensados do secador,
além da contenção dos sólidos não retidos no pré-filtro.
Os filtros instalados no ponto de uso são usados para evitar que os
contaminantes presentes ao longo da tubulação de ar comprimido atinjam a aplicação
final do mesmo. Se o sistema não possui qualquer tipo de tratamento de ar comprimido,
os filtros instalados no ponto de uso são ainda mais recomendados (METALPLAN,
2006).
Figura 2.15 – Filtro de ar comprimido. Fonte: METALPLAN, 2006.
Hoje em dia, os modernos filtros para ar comprimido são do tipo coalescente
e adsorvedor.
O princípio de funcionamento de um filtro coalescente baseia-se em dois
processos distintos, a retenção mecânica e a coalescência.
A retenção mecânica é a simples obstrução da passagem do contaminante
através do elemento filtrante, permitindo apenas que o ar comprimido siga adiante.
Já a coalescência, segundo a norma ISO 8573: 2004, é a ação pela qual
partículas líquidas em suspensão unem-se para formar partículas maiores. Como uma
parte significativa da contaminação líquida presente no ar comprimido é composta por
partículas em suspensão, também chamadas de aerosóis, a coalescência ganhou
importância central para a eficiência de um sistema de tratamento de ar comprimido,
pois esta é a forma mais eficiente de separar esta forma de contaminante.
2.2.3 Secadores de ar comprimido
Como já dito anteriormente, a presença de umidade no fluxo de ar
comprimido é sempre prejudicial ao sistema. Portanto, se torna necessário reduzir ao
máximo esta umidade. O ideal seria eliminá-la por completo, porém isto é praticamente
impossível.
O secador de ar comprimido é um equipamento destinado a reduzir ao
máximo a umidade presente no fluxo de ar.
Apesar de geralmente ser um equipamento de alto investimento inicial, seu
valor pode ser rapidamente recuperado visto que ocorrerá uma grande redução dos
incovenientes causados pela presença de umidade no ar.
Existem nos dias de hoje basicamente três tipos de secagem de ar
comprimido, a citar-se, por refrigeração, por absorção e por adsorção.
2.2.3.1 Secagem por refrigeração
A secagem por refrigeração consiste em submeter o ar a uma temperatura
suficientemente baixa, na qual se é possível obter a máxima condensação dos vapores
de água e óleo sem o risco de congelamento, permitindo assim a retirada de grande parte
dos contaminantes.
Depois de removido o condensado, a maioria dos secadores por refrigeração
reaquece o ar comprimido, por meio de recuperadores de calor, que reaproveitam o
calor do ar comprimido na entrada do secador, devolvendo-o ao sistema numa condição
mais adequada ao uso (PARKER AUTOMATION, 2000).
Na verdade, este reaquecimento é intencional, visando a economia de energia
e evitar que a tubulação fique gelada; porém provoca a completa reevaporação da
umidade residual que não foi removida pelo separador de condensados. No estado
gasoso, essa umidade não pode ser eliminada pelo pós-filtro.
Na Figura 2.16 pode ser visto o esquema de secagem por refrigeração.
Figura 2.16 – Secagem do ar por refrigeração. Fonte: PARKER, 2000.
Vale lembrar que se o secador for resfriado a ar, deve-se ter uma atenção
especial à temperatura ambiente do local onde este será instalado.
2.2.3.2 Secagem por absorção
Este método utiliza uma substância sólida ou líquida para absorver outra
substância líquida ou gasosa. Neste processo, como pode ser visto na Figura 2.17, o ar é
conduzido no interior de um volume onde está presente uma massa higroscópica,
insolúvel que absorve a umidade do ar e partículas de óleo, formando assim uma
mistura secador-umidade por meio de uma reação química, sendo assim este processo
também chamado de secagem química (PARKER AUTOMATION, 2000).
Figura 2.17 – Secagem por absorção. Fonte: REIS, 2004.
Com a utilização constante do equipamento, o elemento higroscópico ou
secador é consumido, sendo necessária a sua reposição periodicamente, em geral, de
duas a quatro vezes por ano.
2.2.3.3 Secagem por adsorção
O secador por adsorçaão caracteriza-se por renovar os vapores de ar
comprimido sem a necessidade de condensá-los.
Podemos definir adsorção como sendo o efeito de atração das moléculas de
gases e líquidos para superfícies de um sólido adsorvedor, mantendo-as aderidas na
mesma (WIKIPÉDIA, 2006).
O material adosrvedor de um secador por adsorção tem um altíssimo poder
de atração e retenção das moléculas de água sobre sua superfície. Entre os materiais
adsorvedores podemos citar a sílica-gel, a alumina ativada, etc.
Este tipo de secagem é indicada para aplicações extremas, quando o secador
por refrigeração deixa de ser eficaz, pois consomem muito mais energia do que os
secadores por refrigeração, limitando assim sua aplicação.
Em geral, um secador por adsorção possui dois leitos de secagem, como
mostrado na Figura 2.18, de modo a permitir que um leito esteja secando ar
comprimido, enquanto que o leito já saturado possa ser reativado pelo simples
aquecimento do material adsorvedor ( PARKER AUTOMATION, 2000).
Em termos construtivos, um secador por adsorção, além dos dois leitos
verticais, possui base, tubulação de interligação, sistema de válvulas, silenciador e
painel de comando.
Em qualquer secador por adsorção, um fluxo de ar despressurizado e
extremamente seco é o veículo condutor para a extração das moléculas de água do leito
saturado no sentido oposto ao da secagem.
Figura 2.18 – Secagem por adsorção. Fonte: REIS, 2004.
2.2.4 Unidade de condicionamento de ar comprimido
Mesmo tendo passado por todo o processo de produção, tratamento e
distribuição, é recomendável que o ar comprimido passe por um último tratamento antes
de sua utilização final. O uso de uma unidade de condicionamento de ar, é indispensável
em qualquer tipo de sistema pneumático, pois ajuda a prolongar a vida útil dos
componentes e permite que os mesmos trabalhem em condições favoráveis (BELAN,
2005)
Nesta unidade, o ar passa por um beneficiamento que envolve filtragem,
regulagem de pressão e lubrificação.
Nesta etapa, a filtragem é aplicada para manter o ar absolutamente limpo; a
regulagem de pressão para limitar a carga de trabalho dos equipamentos, e a
lubrificação da partes móveis para auxiliar na manutenção dos movimentos livres e
uniformes (SANTOS, 2006).
Devemos lembrar que existem casos nos quais a lubrificação do ar não é
recomendada, como por exemplo a utilização do ar para respiração humana, devendo
este ser um ponto a ser levado em consideração na hora de aplicar o uso deste
dispositivo. Na Figura 2.19 pode ser vista uma unidade de conservação de ar
comprimido.
Figura 2.19 – Unidade de condicionamento de ar comprimido. Fonte: BELAN, 2005.
2.3 Reservatório
O reservatório de ar comprimido de um sistema tem como funções básicas:
•
Armazenar o ar comprimido para consumo;
•
Equalizar as pressões das linhas de consumo;
•
Resfriar o ar auxiliando na eliminação do condensado;
Sua capacidade, em termos práticos, deve ser em média de 6 a 10 vezes a
capacidade do compressor por segundo, devendo também possuir dispositivos de
segurança, tais como manômetro, termômetro, etc.
Outra questão é que os dispositivos destinados ao tratamento do ar
comprimido, conseguem geralmente uma eficiência em torno de 80 a 90% na retenção
de umidade; o restante acompanha o ar comprimido até o reservatório, onde a
velocidade é consideravelmente reduzida, fazendo assim com que a maior parte dos
condensados residuais deposite-se sobre as paredes e escorra para o fundo deste. Sendo
assim, é muito importante a existência de uma tubulação de dreno na parte mais baixa
do reservatório para permitir a retirada desta água.
Quanto à localização da instalação, os reservatórios devem, se possível, ser
instalados fora da casa de compressores e à sombra, visando facilitar a formação do
condensado. Na Figura 2.20 pode ser visto um reservatório típico.
Figura 2.20 – Reservatório de ar comprimido e seus componentes. Fonte: REIS, 2004.
2.5 Redes de distribuição de ar comprimido
A rede de distribuição compreende todas as tubulações que saem do
reservatório, e que unidas, orientam o ar comprimido até os vários pontos de utilização.
Uma rede de distribuição de ar comprimido dimensionada de forma correta
garante uma baixa perda de carga, gerando assim um fornecimento de ar adequado e
econômico.
Para
tal,
alguns
aspectos
devem
ser
obedecidos
(PARKER
AUTOMATION, 2000).
Para que esta baixa perda de carga seja alcançada, as tubulações requerem
uma manutenção regular; portanto, de preferência, elas não devem ser instaladas dentro
de paredes ou cavidades estreita.
Com relação aos materiais da tubulação, deve-se dar preferência aos
resistentes à oxidação, como o aço galvanizado, aço inoxidável, alumínio, cobre e
plásticos de engenharia, pois estes evitam a produção de ferrugem, um potencial
contaminante do ar comprimido utilizado.
Já em relação à forma montagem da rede, existem duas principais, a rede de
distribuição em circuito aberto e a em circuito fechado.
Porém, na maioria dos casos a rede é montada em circuito fechado, pois esta
permite um fornecimento de ar comprimido mais uniforme em casos de consumo muito
grande pelos equipamentos.
A rede em circuito fechado pode ser montadas com derivações transversais,
ou então com derivações montadas a partir do anel principal, como mostrado na figura
Partindo da tubulação principal, são instaladas as ligações em derivação,
podendo estas derivações ser montadas a partir do próprio anel principal da rede, ou
então com derivações transversais, como mostrado na Figura 2.21.
Mediante a presença de válvulas de fechamento, existe a possibilidade de
bloquear determinadas linhas de ar comprimido quando as mesmas não forem usadas ou
quando for necessário colocá-las em manutenção.
Figura 2.21 – Redes de distribuição de ar comprimido em circuito fechado, com
derivações do próprio anel e da transversal. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
Recomenda-se que as tubulações sejam montadas com um declive de 0,5 a
2%, na direção do fluxo, como exemplificado na Figura 2.22. Esta inclinação serve para
favorecer o recolhimento de eventuais condensados, levando-os para a parte mais baixa,
onde são eliminados por meio de drenos.
Outro cuidado a ser tomado em relação ao aspecto construtivo da rede, é a
aplicação de raios grandes nas curvaturas. Regras práticas estipulam que o raio de
curvatura mínimo da rede de distribuição de ar comprimida de ser 2 vezes o diâmetro da
tubulação da rede principal.
Figura 2.22 – Parte de uma rede de ar comprimido com inclinação. Fonte: REIS, 2004.
Embora, em termos teóricos, as perdas de pressão por vazamentos de ar
devessem ser nulas, na prática elas acontecem por meio de diferentes tipos de defeitos,
tais como: pequenos furos, acoplamentos com folgas, vedações defeituosas, etc;
alcançando valores elevados quando somadas. Em geral, recomenda-se que estas perdas
não ultrapassem 5% da vazão total do sistema.
A
ocorrência
de
vazamentos
na
rede
representa
consideravelmente maior de energia. Como pode ser visto na Tabela 2.3.
Tabela 2.3 – Perdas com vazamentos de ar nas tubulações.
Fonte: REIS, 2004.
um
consumo
III. ELEMENTOS DE UM CIRCUITO ELETROPNEUMÁTICO AUTOMATIZADO
Como tudo em engenharia, um sistema eletropneumático automatizado deve
ter seu início por um projeto muito bem detalhado.
Existem várias motivações que influenciam na implantação de um sistema
eletropneumático automatizado. Um dos principais motivos é a redução dos custos
operacionais; a rapidez nos movimentos pneumáticos e a liberação do operário de
operações repetitivas, o que possibilita o aumento do ritmo de trabalho, aumento da
produtividade, e portanto um menor custo operacional.
Os sistemas de atuação pneumáticos são empregados em situações em que
normalmente existem vários cilindros, motores, ventosas, etc. Conseqüentemente, existe
a necessidade que uma parte do sistema processe informações para provocar o
acionamento de tais atuadores no momento mais correto, desencadeando seqüências de
operações pré-estabelecidas pelo projeto.
Um sistema de atuação corresponde ao conjunto de elementos capaz de
receber uma informação proviniente de um circuito elétrico, ou de um programa de
CLP, ou até mesmo de um operador estabelecendo qual a ação que deve ser executada
(BELAN, 2005).
São elementos básicos de um circuito eletropneumático:
•
Elemento de sinal
•
Elemento de trabalho – Máquinas elétricas e/ ou atuadores pneumáticos;
•
Elemento de comando - Dispositivos elétricos e/ ou válvulas eletropneumáticas;
•
Elemento de controle - Circuito eletropneumático e/ ou CLP.
– Sensores elétricos, botoeiras, chaves fim de curso;
3.1 Elementos de sinal
Os elementos de sinal são responsáveis por transformar grandezas físicas de
um sistema, tais como a pressão e temperatura, em sinal compatível para os elementos
de processamento de sinal ou de controle (BELAN, 2005).
Entre os elementos de entradas de sinais podemos citar as botoeiras, as
chaves fim de curso, interruptores, pressostatos e sensores, todos destinados a emitir
sinais para a energização ou desenergização do circuito ou parte dele (PARKER
AUTOMATION, 2001).
Os sensores fazem parte do grupo dos elementos eletrônicos de sinal, sendo
os outros dispositivos citados denominados mecânicos. A principal vantagem dos
sensores de proximidade frente aos elementos mecânicos de sinal é o fato de que não
precisam de contato direto com o objeto a ser detectado, evitando assim , desgastes ou
contaminações.
Os tipos de sensores mais usuais são os magnéticos, óticos, indutivos e
barométricos. Algumas das características desses sensores estão na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Características funcionais dos tipos de sensores citados.
Fonte: BELAN, 2005.
Onde * representa sensores óticos de reflexão difusa, ** sensores óticos de retroreflexão, *** sensores óticos de barreira, + sensores indutivos de corrente contínua, ++
sensores indutivos de corrente alternada, # captadores de queda de pressão no cilindro.
3.1.1 Sensores magnéticos
Estes sensores apresentam uma construção relativamente simples, onde duas
lâminas de contato elétrico ficam alojadas no interior de uma ampola contendo gás
inerte, como pode ser notado na Figura 3.1.
Figura 3.1 – Ilustração de um sensor magnético. Fonte: BELAN, 2005.
Estes sensores detectam apenas a presença de materiais metálicos e
magnéticos. Estes dispositivos são montados diretamente sobre o lado externo dos
cilindros pneumáticos, nos quais os êmbolos devem conter uma cinta magnética que ao
passar pela região do cilindro onde está posicionado o sensor, gere um campo capaz de
fechar o contato entre as duas lâminas, produzindo assim um sinal de corrente elétrica
de saída.
Esta construção pode ser vista na Figura 3.2.
Figura 3.2 – Sensor magnético instalado em um cilindro. Fonte: PARKER
AUTOMATION, 2001.
3.1.2 Sensores óticos
Os sensores óticos detectam a aproximação de qualquer tipo de objeto, desde
que este não seja transparente, apresentando a vantagem da possibilidade de detectar
presença de objetos desde a pequenas distâncias, até outras consideradas grandes
(PARKER AUTOMATION, 2001)
Os sensores óticos são construídos por dois elementos distintos, sendo um
emissor de luz, normalmente luz infravermelha, e o outro receptor.
As diferenças no tipo construtivo se baseiam na localização dos elementos
emissor e receptor e também da superfície refletora, podendo ser:
Sensor ótico de barreira, que se caracteriza quando um objeto se coloca entre
os dois elementos do sensor, interrompendo a passagem de luz entre eles, o que provoca
a emissão de um sinal de saída (PARKER AUTOMATION, 2001).
O sensor ótico de barreira está mostrado na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Sensor ótico de barreira, com e sem a presença de objeto. Fonte: BELAN,
2005.
No sensor reflexivo, o emissor e o receptor de luz são montados em um
único corpo, o que reduz espaço e facilita sua montagem entre as partes móveis dos
equipamentos. Porém existe o inconveniente de a distância de detecção ser menor, visto
que a luz transmitida pelo emissor irá refletir no material a ser detectado para então
penetrar no receptor, o qual emitirá o sinal elétrico de saída (PARKER
AUTOMATION, 2001). Esta construção pode ser observada na Figura 3.4.
Figura 3.4 – Sensor ótico reflexivo. Fonte: BELAN, 2005.
Uma terceira montagem é conhecida como sensor retro-reflexivo, assim
como no sensor reflexivo, o emissor e o receptor são montados num mesmo corpo,
porém aqui a reflexão é realizada por uma superfície refletora que não é a peça, como
pode ser notado na Figura 3.5. Sua aplicação é indicada quando o objeto a ser detectado
apresenta características de reflexão ruins (BELAN, 2005).
Figura 3.5 – Sensor ótico retro-reflexivo. Fonte: BELAN, 2005.
3.1.3 Sensores indutivos
Os sensores indutivos são capazes apenas de detectar a presença de materiais
metálicos, condutores de eletricidade.
Neste tipo de sensor, um solenóide gera um campo eletromagnético
oscilatório no espaço externo ao cabeçote do sensor. Quando o corpo a ser detectado
quando entra neste campo produz correntes que absorvem energia do oscilador, o que
provoca o acionando um circuito disparador, emitindo assim um sinal para o elemento
de comando do sistema (BELAN, 2005).
A Figura 3.6 apresenta um sensor indutivo.
Figura 3.6 – Foto de um sensor indutivo. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
3.1.4 Sensores barométricos
De forma resumida, nos sensores barométricos, o sinal é produzido pela
pressão exercida sobre uma membrana, a qual atua sobre um módulo de comutação
pneumático, elétrico ou eletrônico. A Figura 3.7 mostra o esquema de um sensor
barométrico, onde P1 e P2 são as pressões na câmara do cilindro.
Figura 3.7 – Sensor barométrico. Fonte: BELAN, 2005.
3.1.5 Botoeiras
Botoeiras são chaves elétricas acionadas por um esforço manual que
apresentam, geralmente, um contato aberto e outro fechado.
As botoeiras podem ser do tipo pulsadoras, ou então com trava, dependendo
do tipo de sinal a ser enviado aos elementos de comando do sistema.
As botoeiras pulsadoras invertem seus contatos mediante ao acionamento de
um botão e, devido a ação de uma mola, retornam à posição de origem quando esse
acionamento se cessa.
As botoeiras com trava também invertem seus contatos mediante o
acionamento de um botão, mas ao contrário das botoeiras pulsadoras, permanecem
travadas mesmo depois de cessado o acionamento. Para retornar à posição inicial, este
tipo de botoeira necessita de um novo acionamento.
Estes dois tipos de botoeiras podem ser vistos na Figura 3.8.
Figura 3.8 – Fotos dos dois tipos botoeiras. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
3.1.6 Chaves fim de curso
As chaves de fim de curso também são comutadores elétricos de entrada de
sinais acionados mecanicamente.
São posicionadas no decorrer do percurso de cabeçotes móveis de máquinas
e equipamentos industriais, bem como nas hastes de cilindros pneumáticos.
O acionamento pode ser efetuado por meio de um rolete mecânico ou de um
gatilho.
A Figura 3.9 mostra, a título de exemplo, uma chave fim de curso acionada
por rolete mecânico.
Figura 3.9 – Chave fim de curso acionada por rolete mecânico. Fonte: PARKER
AUTOMATION, 2001.
3.2 Elementos de trabalho
Os elementos de trabalho de um circuito eletropneumático são dispositivos
capazes de converter a energia pneumática contida no ar comprimido, depois de ele ter
sido preparado, em energia mecânica de movimento.
Em um circuito eletropneumático, o conversor é ligado mecanicamente à
carga, possibilitando assim que, quando influenciado pela energia contida no ar
comprimido, convertê-la em força ou torque, transferido-a à carga (PARKER, 2000).
Existem basicamente dois tipos de atuadores pneumáticos, os atuadores
lineares, que devido à sua forma construtiva, são conhecidos como cilindros
pneumáticos, sendo capazes de transformar a energia contida no ar comprimido em um
movimento linear, e os atuadores rotativos ou motores pneumáticos, que transformam a
energia pneumática em movimento rotativo.
Existe ainda um terceiro tipo de atuador, o oscilador pneumático, que
converte a energia pneumática em energia mecânica por meio de momento torsor
limitado de um determinado número de graus.
Estes três tipos de dispositivos serão mais bem focados e detalhados no
capítulo 4, que trata da classificação dos atuadores pneumáticos.
3.3 Elementos de comando
Os elementos de comando em um circuito eletropneumático têm por
finalidade alimentar ou descarregar convenientimente, no instante programado, os
atuadores pneumáticos.
Para isso, esses dispositivos têm a capacidade de orientar o escoamento de
ar, impor bloqueios, controlar intensidades de vazão e pressão, etc.
Os principais elementos de comando em um circuito são as válvulas
pneumáticas, podendo estas serem classificadas de acordo com o tipo de trabalho que
são capazes de executar, são elas:
•
Válvulas de controle direcional;
•
Válvulas de bloqueio;
•
Válvulas de controle de fluxo;
•
Válvulas de controle de pressão.
3.3.1 Válvulas de controle direcional
Este tipo de válvula tem por função orientar a direção que o fluxo de ar deve
seguir, sendo este o motivo de tal denominação (BELAN, 2005).
Nestes componentes, uma peça cilíndrica com diversos rebaixos, conhecida
como carretel, se desloca a partir de um tipo de acionamento qualquer dentro de um
corpo no qual são usinados diversos furos, por onde entra e sai o fluido.. No carretel
existem rebaixos que são utilizados para intercomunicar as diversas tomadas de fluido
deste corpo, determinando a direção do fluxo.
As válvulas de carretel pertencem ao grupo das válvulas de corrediças, onde
temos também o tipo de válvula denominada plana longitudinal, e também a válvula
giratória.
Na válvula de corrediça longitudinal, um pistão seleciona as ligações
mediante a um movimento longitudinal, como o próprio nome já diz. A força do
acionamento é pequena, pois não é necessário vencer a pressão do ar ou da mola, ambas
inexistentes.
Existe ainda um outro grupo de válvulas de controle direcional, conhecido
por válvula de assento ou de sede.
As válvulas de sede possuem poucas peças de desgaste, tendo assim uma
longa vida útil. Elas são robustas e insensíveis à sujeira e a força de acionamento, ao
contrário das válvulas de corrediça, é relativamente alta.
Para que se tenha uma perfeita definição de uma válvula direcional devemos
conhecer alguns aspectos construtivos inerentes a elas, tais como:
•
Posição inicial;
•
Número de vias;
•
Tipo de acionamento;
•
Tipo de retorno;
•
Vazão.
O número de posições é a quantidade de posições distintas que a válvula
direcional pode permanecer. Por exemplo, uma válvula que possui apenas duas
possibilidades, ou estar aberta, ou estar fechada, tem duas posições.
Normas internacionais, como por exemplo a ISO 1219 e a DIN 24300,
padronizam a representação gráfica de válvulas direcionais, e estabelecem que essa se
dá por meio de retângulos, sendo estes formados pelo número de quadrados respectivo
ao número de posições da válvula, ou seja, cada quadrado representa uma posição
(REIS, 2004).
O número de vias de uma válvula representa o número de conexões de
trabalho, tais como entrada de pressão, utilização ou escape. As direções de fluxo são
indicadas por setas, as passagens bloqueadas por sinal de bloqueio e as conexões de
escape e alimentação, indicadas por triângulos. A Tabela 3.2 mostra essas
representações gráficas.
Tabela 3.2 – Símbolos utilizados para indicar a utilização da via.
Fonte: BELAN, 2005.
As normas ISO 1219: 1991 e DIN 24300 estabelecem padrões com letras e
números para que seja possível uma uniformização das conexões de trabalho de uma
válvula, como pode ser observado na Tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Regras para identificação dos orifícios ou conexões de válvulas.
Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
É usual representar uma válvula direcional pela simbologia 3/2, 4/2, 5/2 ou
5/3, por exemplo. Nestes casos, o algarismo antes da barra representa o número de vias
e o após o número de posições.
Para que uma válvula mude de posição é necessário que um agente externo
forneça energia para movimentar o carretel.
A força pode ser aplicada diretamente (acionamento direto) ou em um
dispositivo intermediário, o qual será responsável por liberar o comando principal (
acionamento indireto).
Estes acionamentos das válvulas podem ser:
•
Musculares;
•
Mecânicos;
•
Pneumáticos;
•
Elétricos;
•
Combinados.
Os acionamentos musculares, mostrados na Figura 3.10, são geralmente
utilizados em válvulas de painel que são utilizadas para o início e fim de uma cadeia de
operações e também como emergência. Podem ser do tipo muscular, botão, alavanca e
pedal.
Figura 3.10 – Acionamentos musculares. Fonte: BELAN, 2005.
O acionamento mecânico é conseguido por meio de um contato mecânico
sobre o acionamento, colocado estrategicamente ao longo de um movimento qualquer.
Os contatos mecânicos podem são observados na Figura 3.11. Por apresentarem estas
características, as válvulas equipadas com este tipo de acionamento recebem também o
nome de válvulas fim de curso.
Figura 3.11 – Tipos de acionamentos mecânicos. Fonte: PARKER AUTOMATION,
2000.
As válvulas que usam o acionamento pneumático são comutadas pela ação
do ar comprimido emitido por outra válvula anterior, podendo ser, como mostrado na
Figura 3.12, do tipo piloto negativo ou do tipo piloto positivo (BELAN, 2005).
Figura 3.12 – Tipos de acionamentos pneumáticos. Fonte: BELAN, 2005.
Já no caso dos acionamentos elétricos, estes podem der feitos por meio de
solenóides de um enrolamento, dois enrolamentos ou motor elétrico.
Hoje em dia, esse tipo de acionamento é muito usado devido à sua facilidade
de comunicação com PLC’s e utilização de sinais elétricos de sensores de fim de curso.
É possível ainda a utilização de acionamentos combinados, sendo estes úteis
nos casos em que ser quer aproveitar a energia pneumática e economizar outros tipos,
tais como elétrica e mecânica.
Outras peculiaridades, tais como vazão nominal, pressões de trabalho,
temperaturas admissíveis, tempos de comutação, tipos de energia de acionamento,
correntes, tensões e potências elétricas consumidas, formas de fixação, materiais, pesos
e medidas devem também receber uma atenção especial quando se for efetuar uma
compra.
3.3.2 Válvulas de bloqueio
São dispositivos que bloqueiam a passagem de ar comprimido,
preferencialmente, em um só sentido, permitindo passagem livre em direção contrária
(REIS, 2004). Estes podem ser dos tipos:
3.3.2.1 Válvula de retenção
Estas válvulas impedem completamente a passagem de ar em uma direção.
Na direção contrária, o ar flui com a mínima queda de pressão. O fechamento em um
sentido pode ser feito por cone, esfera, placa ou membrana. Existem dois tipos básicos
de válvulas de retenção, com mola e sem mola.
Na válvula de retenção com mola, o elemento que ocasiona o fechamento é
mantido inicialmente contra os seu assento pela força de uma mola.
Por outro lado, quando existe fluxo no sentido favorável da passagem do ar,
o elemento é deslocado do assento, comprimindo a mola e possibilitando a passagem do
ar (PARKER AUTOMATION, 2000).
A válvula de retenção com mola pode ser vista na Figura 3.13.
Figura 3.13 – Válvula de retenção com mola. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
Na válvula de retenção sem mola, o bloqueio se dá no sentido contrário ao
da passagem do ar, não contando com o auxílio de mola, sendo ele é feito pela própria
pressão de ar comprimido.
3.3.2.2 Válvula de escape rápido
A válvula de escape rápido é usada quando se deseja obter velocidades
maiores do que as que normalmente são conseguidas por um pistão de atuador linear
(PARKER, 2001).
Para tal, o fator determinante é a velocidade de escape do ar contido no
interior da câmara do cilindro.
Com a utilização desta válvula, a pressão no interior de um lado da câmara
cai bruscamente, assim como também a resistência oferecida pelo ar residual, sendo
assim, o ar flui diretamente para a atmosfera; fazendo com que, do outro lado da
câmara, o pistão adquira uma elevada velocidade.
Figura 3.14 – Construção de uma válvula de escape rápido. Fonte: PARKER
AUTOMATION, 2000.
3.3.2.3 Válvula de isolamento ou elemento “OU”
Esta válvula possui três orifícios, dois de entrada de pressão e um ponto de
utilização. Ao se enviar um sinal por uma das entradas, a entrada oposta é
automaticamente vedada e o sinal emitido flui até a saída de utilização.
Uma vez cortado o fornecimento, o elemento seletor interno permanece na
posição, em função do último sinal emitido.
Quando ocorre coincidência de sinais com valores iguais de pressões nas
duas entradas, prevalece o sinal que atingiu primeiro a válvula.
No caso de pressões diferentes, passará ao ponto de utilização a pressão de
maior valor, impondo bloqueio no lado da pressão de menor intensidade.
Na Figura 3.15 pode ser visto este tipo de válvula.
Figura 3.15 – Válvula de isolamento ou elemento OU. Fonte: REIS, 2004.
A utilização desta válvula se torna necessária quando se deseja acionar um
cilindro com alimentação de ar comprimido proveniente de mais de um lugar. (REIS,
2004).
3.3.2.4 Válvula de simultaneidade ou elemento “E”
Como no caso da válvula de isolamento, esta válvula possui três orifícios. A
diferença se dá pelo fato de que o ar chegará ao ponto de utilização apenas quando as
duas entradas de pressão estiverem sendo alimentadas.
A que chegar primeiro, ou então a de menor valor no caso em que as duas
forem simultâneas, se autobloqueará; dando assim passagem ao outro sinal. Na Figura
3.16 uma válvula de simultaneidade.
Figura 3.16 - Válvula de simultaneidade ou elemento E. Fonte: REIS, 2004.
3.3.3 Válvulas de controle de fluxo
Estas válvulas são utilizadas para diminuir a quantidade de ar que passa
através de uma tubulação, por meio de uma redução de sua seção, o que é muito
utilizado quando se necessita regular a velocidade de um atuador.
O controle de velocidade de um atuador linear ser feito pelo ar de entrada ou
pelo ar de saída (PARKER AUTOMATION, 2000).
3.3.3.1 Válvulas de controle de fluxo unidirecional
É constituída por uma válvula de retenção e em paralelo a ela um dispositivo
de controle de fluxo, montados em um único corpo. Em relação ao fluxo, pode se
comportar de duas formas diferentes.
No fluxo controlado, o ar comprimido é bloqueado pela válvula de retenção
em um sentido pré-fixado, sendo assim ele obrigado a passar restringido pelo ajuste
fixado no dispositivo de controle, como mostrado na figura 3.17.
Figura 3.17 – Válvula de controle de fluxo unidirecional. Fonte: CROSER, 2002.
No caso de um fluxo livre, o ar possui livre vazão pela válvula de retenção
no sentido oposto ao mencionado para o fluxo controlado.
Estando o dispositivo de ajuste totalmente acionado, esta válvula passa a
funcionar como uma válvula de retenção.
3.3.3.2 Válvulas de controle de fluxo bidirecional
Nesta válvula a quantidade de ar que entra por um lado ou pelo outro é
controlada por meio de um parafuso de acordo com a proximidade ou afastamento desse
em relação ao assento. Conseqüentemente, é permitido um maior ou menor fluxo de
passagem de ar comprimido (PARKER AUTOMATION, 2000).
Na Figura 3.18 pode ser vista uma válvula de controle de fluxo bidirecional.
Figura 3.18 – Válvula de controle de fluxo bidirecional. Fonte: PARKER
AUTOMATION, 2000.
3.3.4 Válvulas de controle de pressão
Este tipo de válvula tem como função básica influenciar ou serem
influenciadas pela intensidade de pressão de um sistema (REIS, 2004).
No campo das válvulas de controle de pressão podemos citar: as reguladoras
de pressão, as limitadoras de pressão e as válvulas de seqüência. Porém, existe um tipo
que merece receber uma atenção especial, as válvulas de alívio.
A válvula de alívio pode ser enquadrada no campo das válvulas limitadoras
de pressão, e funciona limitando a pressão de um reservatório, compressor, linha de
pressão, etc., evitando a sua elevação além de um ponto ideal.
Uma pressão pré-determinada é ajustada por meio de uma mola calibrada
que é comprimida por um parafuso (PARKER AUTOMATION, 2000).
Caso haja sobrecarga, ou seja, quando a pressão atinge aquela prédeterminada, a válvula se abre e o ar é liberado a escapar para a atmosfera (BELAN,
2005).
Figura 3.19 – Válvula de alívio. Fonte, PARKER AUTOMATION, 2001.
3.4 Elementos de controle
Geralmente a função de controle em um sistema eletropneumático é exercida
pelos circuitos eletropneumáticos, estes circuitos podem, e estão sendo cada vez mais
auxiliados por PLC’s, principalmente quando a aplicação atinge escalas industriais.
Os circuitos eletropneumáticos são esquemas de comando e acionamento
que representam os componentes pneumáticos e elétricos empregados em máquinas e
equipamentos, bem como a interação entre esses elementos para se conseguir o
funcionamento desejado e os movimentos exigidos do sistema mecânico em tempos e
seqüências corretos.
Enquanto o circuito pneumático representa o acionamento das partes
mecânicas, o circuito elétrico representa a seqüência de comando dos equipamentos
pneumáticos para que as partes móveis das máquinas apresentem os movimentos finais
desejados (PARKER AUTOMATION, 2001).
3.4.1 Os PLC’s
Os controladores lógicos programáveis, ou PLC’s do inglês programmables
logics controllers, surgiram na montadora norte-americana GENERAL MOTORS, em
1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controle dos painéis de
comando de relés toda vez que se tornava necessária uma mudança na linha de
montagem, o que implicava em altos gastos de tempo e de dinheiro.
Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma
especificação que definia as necessidades de muitos usuários de circuitos e relés, não só
da indústria automobilística, mas de toda a indústria manufatureira.
Nascia assim um dispositivo bastante versátil e de fácil utilização, que vem
se aprimorando constantemente e se diversificando cada vez mais nos setores da
indústria em que são empregados (WIKIPÉDIA, 2006).
São vantagens do uso dos PLC’s em relação aos painéis de comando:
•
Apresentam uma dimensão reduzida, ocupando menor espaço;
•
Apresentam menor consumo de energia elétrica;
•
São reutilizáveis e/ ou reprogramáveis;
•
Têm alta confiabilidade;
•
Possuem rapidez na elaboração de projetos;
•
Têm interfaces de comunicação com outros PLC’s e computadores.
Os controladores lógicos programáveis podem ser considerados operadores
cíclicos devido as suas características de operação.
Numa primeira etapa todos os sinais de entrada são lidos, ou seja, são
analisados os níveis lógicos das entradas, verdadeiro ou falso. Logo após o processador
passa a percorrer o programa do usuário, salvo na memória interna do PLC, na
seqüência exata que foi programado por ele, obtendo como resultado o novo valor das
variáveis de saída.
As memórias do CLP podem ser do tipo SRAM ou DRAM, onde são
armazenados temporariamente os dados e as variáveis de saída. São normalmente
protegidas por baterias para impedir a perda dos programas por falta de energia.
As memórias EPROM e flash são usadas para armazenar os programas do
usuário que não sofrerão modificações, pelo menos a curto espaço de tempo.
Na última etapa do ciclo de um PLC os novos estados das variáveis de saída
são transferidos para os terminais de saída, todo este ciclo tem uma duração da ordem
de milisegundos (BELAN, 2005).
O funcionamento básico de um PLC pode ser visto na Figura 3.20.
Figura 3.20 – Diagrama de funcionamento de um PLC. Fonte: BELAN, 2005.
IV. CLASSIFICAÇÃO DOS ATUADORES PNEUMÁTICOS
Atuadores Pneumáticos são conversores de energia capazes de transformar a
energia pneumática contida no ar comprimido em energia mecânica ou trabalho, isso se
dá pelo fato de os atuadores estarem ligados mecanicamente à carga. Assim, quando
influenciados pelo ar comprimido, sua energia é convertida em torque, e então
transferida à carga (PARKER AUTOMATION, 2000).
Tais atuadores podem ser classificados através do tipo de movimento
mecânico que são capazes de produzir. Eles podem ser classificados, basicamente, em
três tipos, são eles:
•
Cilindros pneumáticos;
•
Motores a ar comprimido;
•
Osciladores pneumáticos.
Os cilindros pneumáticos são constituídos de componentes capazes de
converter energia pneumática em movimento linear. Os motores pneumáticos são
responsáveis por transformar energia pneumática em movimento de giro; já os
osciladores pneumáticos convertem energia pneumática em mecânica através de um
movimento torsor limitado por um determinado número de graus.
4.1 Cilindros pneumáticos
Cilindros Pneumáticos, como já dito anteriormente, são dispositivos
constituídos de componentes capazes de converter energia pneumática em movimento,
esse movimento deve ter natureza linear para que o equipamento seja considerado um
cilindro pneumático, eles recebem este nome por sua carcaça, na maioria das vezes, ter
um formato cilíndrico.
A utilização de cilindros pneumáticos em escala industrial é de grande valia,
pois a geração de movimento retilíneo com elementos mecânicos, associada a
acionamentos elétricos é relativamente custosa e ligada a certas dificuldades de
fabricação e durabilidade (REIS, 2004).
Dentre os tipos construtivos, podemos citar basicamente dois, o cilindro de
simples efeito ou simples ação e o de duplo efeito ou dupla ação, os quais possuem
alguns tipos derivados.
Em relação aos cilindros de duplo efeito, podemos citar por exemplo
algumas derivações:
•
Cilindro de Dupla Ação com Haste Dupla;
•
Cilindro Duplex Contínuo ou Tandem;
•
Cilindro Duplex Geminado ou de Múltiplas Posições;
•
Cilindro de Impacto;
•
Cilindro com Amortecimento;
•
Cilindro sem haste.
4.1.1 Cilindro de simples efeito ou simples ação
Os cilindros de simples ação são acionados pelo ar comprimido de apenas
um lado, realizando assim trabalho em um só sentido. O retorno se dá por meio de força
externa, ou por meio de uma mola (REIS, 2004).
Em cilindros de simples ação com retorno por mola, o avanço do êmbolo é
limitado pelo comprimento dela, por isso, são fabricados cilindros deste tipo com o
curso máximo de aproximadamente 100mm. Para cursos maiores, o retorno é
proporcionado pela gravidade ou por força externa (BELAN, 2005).
Vale lembrar também que existe a possibilidade de o avanço ser devido à
aplicação da força elástica pela mola, e o retrocesso ser devido ao ar comprimido. Já
esses tipos de cilindros tem aplicação peculiar em freios de caminhões e vagões
ferroviários. Na Figura 4.1 podem ser vistos os tipos de cilindros de simples ação
citados acima.
Figura 4.1 – Cilindros pneumáticos de simples ação. Fonte: PARKER AUTOMATION,
2001.
Em termos construtivos possuem somente um orifício por onde o ar entra e
sai do seu interior, comandado por uma válvula. Na extremidade oposta à de entrada
existe um pequeno orifício que serve de respiro. Na figura 4.2 pode ser visto o esquema
de acionamento de um cilindro de simples ação comandado por uma válvula direcional
3/2 e retorno por mola.
Figura 4.2 - Cilindro de simples ação comandado por uma válvula direcional 3/2 e
retorno por mola. Fonte: DE NEGRI, 2001.
Esses cilindros são utilizados principalmente em máquinas para fixar,
prensar, elevar, etc. Pois nestas atividades é requerida pouco ou nenhuma força no
retorno do cilindro (BELAN, 2005).
4.1.2 Cilindro de duplo efeito ou dupla ação
Este é o tipo mais utilizado de cilindro pneumático, este de cilindro utiliza ar
comprimido para produzir trabalho nos dois sentidos, tanto no avanço, quanto no
retorno, e é utilizado em aplicações onde se torna necessário realizar trabalho também
no retrocesso do pistão.
Quando uma câmara está admitindo ar, a outra está em contato com a
atmosfera, isto só será invertido pela inversão da válvula de comando.
Apesar de produzirem trabalho nos dois sentidos de atuação, é muito
importante ressaltar que existe uma diferença entre os esforços desenvolvidos. As áreas
efetivas de atuação da pressão são diferentes, a área da câmara traseira é maior do que a
da câmara dianteira, pois nesta há de se levar em conta o diâmetro da haste, que impede
a ação do ar sobre toda a área. Portanto, estes cilindros produzem uma força maior no
seu avanço (PARKER AUTOMATION, 2000).
A Figura 4.3 apresenta um cilindro de dupla ação, no avanço e no retorno.
Figura 4.3 – Cilindro de dupla ação avançando e retornando. Fonte: PARKER
AUTOMATION, 2001.
AFigura 4.4 mostra um cilindro de dupla ação comandado por uma válvula
direcional 4/2 com acionamento por alavanca e retorno por mola, e um cilindro de dupla
ação comandado por uma válvula direcional 5/2 com duplo solenóide.
Figura 4.4 – Exemplo de cilindros de dupla ação comandados por válvulas direcionais.
Fonte: DE NEGRI, 2001.
4.1.2.1 Cilindro de dupla ação com haste dupla
Em termos construtivos este cilindro possui duas hastes unidas ao mesmo
êmbolo. Enquanto uma realiza trabalho, a outra pode ser utilizada no comando de fins
de curso, por exemplo.
Apresentam ainda a possibilidade de variação do curso de avanço, o que é
muito favorável em operações de usinagem. As duas faces do êmbolo possuem
geralmente a mesma área, o que possibilita transmitir forças iguais nos dois sentidos de
movimentação. Apresenta também dois mancais de guia, um em cada cabeçote,
oferecendo mais resistência a cargas laterais, bem como melhor alinhamento.
Pode ser fixado pelas extremidades das hastes, deixando o corpo livre, ou
fixado pelo corpo, permitindo que as hastes se desloquem.
Este tipo de cilindro pode ser visto na figura 4.5.
Figura 4.5 – Cilindro pneumático de dupla ação com haste dupla. Fonte: REIS, 2004.
4.1.2.2 Cilindro duplex contínuo ou tandem
Este cilindro apresenta dois cilindros de dupla ação que formam uma única
unidade. Dotado de dois êmbolos unidos por uma haste comum, separados entre si por
meio de um cabeçote intermediário, este cilindro possui entradas de ar independentes.
Devido à sua forma construtiva, ao ser injetado ar comprimido
simultaneamente nas duas câmaras, no sentido de avanço ou retorno, ocorre atuação
sobre as duas faces do êmbolo, de modo que a força produzida é a soma das forças
individuais de cada êmbolo. Isto permite se obter uma maior força, tanto no avanço
como também no retorno (REIS, 2004).
São aplicados em casos onde se necessita de uma força maior, porém não
dispondo de espaço para comportar um cilindro de diâmetro maior e nem podendo
aumentar a pressão de trabalho. A Figura 4.6 evidencia um cilindro tandem.
Figura 4.6 – Cilindro pneumático duplex contínuo ou tandem. Fonte: REIS, 2004.
4.1.2.3 Cilindro duplex geminado ou de múltiplas posições
A construção deste cilindro pneumático consiste em dois ou mais cilindros
de dupla ação, unidos entre si, possuindo cada um entradas de ar independentes.
Essa união possibilita a obtenção de três, quatro ou mais posições distintas.
As posições são obtidas em função da combinação entre as entradas de ar
comprimido e seus correspondentes cursos. São usados, por exemplo, em circuitos de
seleção de peças, que serão aproveitadas ou descartadas.
A Figura 4.7 mostra este tipo de construção.
Figura 4.7 – Cilindro pneumático geminado duplex ou de múltiplas posições. Fonte:
PARKER AUTOMATION, 2000.
4.1.2.4 Cilindro de impacto
Recebe esta denominação devido à força a ser obtida pela transformação da
energia cinética. O ar é retido inicialmente e acumulado numa pré-câmara interna,
atuando sobre uma pequena área da secção do prolongamento na parte traseira do
êmbolo, como pode ser visto na Figura 4.8.
Quando a pressão do pistão atinge um valor suficiente, pré-determinado, iniciase o deslocamento do pistão. Este avança lentamente até que, em determinado instante,
o prolongamento do êmbolo se desaloja da parede divisória e permite que todo o ar
armazenado escoe rapidamente, atuando sobre a área do êmbolo (PARKER
AUTOMATION, 2000).
No instante em que ocorre a expansão brusca do ar, o pistão adquire velocidade
crescente até atingir a faixa onde deverá ser melhor empregado. São usados em
rebitagens, gravações, cortes, etc.
Figura 4.8 – Cilindro de impacto. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
4.1.2.5 Cilindros com amortecimentos
Projetado para controlar movimentos de grandes massas e desacelerar
o pistão nos fins de curso, ele tem a sua vida útil prolongada em relação aos tipos sem
amortecimento.
O amortecimento é aplicado, quando necessário, em cilindros que possuem
diâmetros superiores a 30 mm e cursos acima de 50 mm, caso contrário, não é viável
sua construção.
O amortecimento é criado pelo aprisionamento de certa quantidade de ar no
final do curso.
Porém existem os inconvenientes de o tempo gasto para se completar cada
ciclo se tornar maior e existirem perdas a cada desaceleração do pistão.
Este cilindro pode ser observado na Figura 4.9.
Figura 4.9 – Cilindro com amortecimentos. Fonte: REIS, 2004.
4.1.2.6 Cilindros sem haste
Este cilindro é utilizado quando existe a necessidade de cursos mais longos
com economia de espaço, pois no caso de cilindros com haste existe a necessidade de
espaço para o curso do êmbolo.
Na figura 4.10 pode ser vista a construção deste tipo de cilindro.
Figura 4.10 – Cilindro sem haste. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
4.2 Motores a ar comprimido ou motores pneumáticos
Os atuadores rotativos ou motores pneumáticos são caracterizados por
converterem a energia pneumática em movimento rotativo e por possuírem um campo
angular ilimitado.
Apresentam um tamanho e peso geralmente menores que os motores
elétricos e por este motivo são indicados para lugares que apresentam restrição de
espaço, além de não causarem danos nem riscos de segurança quando existirem a
ocorrência de sobrecargas. Outra característica vantajosa é que devido à simplicidade de
construção apresentam uma manutenção não muito complicada (BELAN, 2005).
Estão classificados segundo o seu aspecto construtivo. São eles:
•
Motores de pistão;
•
Motores de palhetas;
•
Motores de engrenagens;
•
Turbomotores ou turbinas.
Esta classificação pode ser melhor observada conforme a classificação
presente na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Classificação dos atuadores pneumáticos rotativos.
Fonte: BELAN, 2005.
4.2.1 Motores de pistão
Como evidenciado na Tabela 4.1, este tipo de motor está sub-dividido em
motor de pistão radial e axial, uma ilustração simplificada destes dois tipos estão na
Figura 4.11.
Nos motores radiais, o êmbolo aciona o eixo do motor por meio de pistões
em movimento radial.
Para que seja garantido um movimento sem golpes e vibrações são
necessários vários pistões. A potência dos motores depende da pressão de entrada,
número de pistões, área e do curso dos mesmos (REIS, 2004).
O funcionamento dos motores de pistão axial é similar ao dos motores de
pistão radial. Um disco oscilante transforma a força de uma média de 5 cilindros,
axialmente posicionados, em movimento giratório. Com isso é obtido um momento de
inércia equilibrado, garantindo um movimento do motor, uniforme e sem vibrações
(BELAN, 2005).
O torque elevado é a característica que mais se destaca nos motores
pneumáticos de pistão, fazendo com que os mesmos sejam ideais para aplicações
envolvendo fator de partida elevado, tais como em máquinas de elevação, guinchos e
máquinas de transporte.
Figura 4.11 – Motores pneumáticos de pistão. Fonte: REIS, 2004.
4.2.2 Motor de palhetas
Este tipo de motor apresenta uma construção simples e pequeno peso, além
de um funcionamento seguro.
O motor é constituído de um rotor, dotado de ranhuras onde ficam
posicionadas as palhetas. Este rotor é fixado excentricamente em um espaço cilíndrico.
As palhetas colocadas nas ranhuras serão, pela força centrífuga, afastadas contra a
parede interna do cilindro.
O torque é ocasionado pela expansão que o ar comprimido sofre, exercendo
pressão contra a superfície das palhetas, que deslizam nas ranhuras do rotor acoplado ao
eixo de transmissão. Com a expansão, o rotor é incentivado a girar (BELAN, 2005).
Na Figura 4.12 pode ser visto o motor pneumático de palhetas.
Figura 4.12 – Princípio de funcionamento do motor pneumático de palhetas. Fonte:
BELAN, 2005.
4.2.3 Motores de engrenagem
Este tipo de motor , em termos construtivos, é basicamente constituído por
um par de rodas dentadas, como pode ser visto na Figura 4.13, que são percorridas pelo
ar comprimido e ligadas ao eixo do rotor.
A geração do momento de torção efetua-se pela pressão do ar contra os
flancos dos dentes das duas engrenagens, que podem ser retos ou então num formato
helicoidal, tendo o primeiro tipo a desvantagem de ter um nível de ruídos mais elevado.
Uma engrenagem é montada fixa no eixo do motor, a outra livre em outro eixo (REIS,
2004).
Estes motores apresentam a vantagem de o sentido de rotação ser reversível.
Figura 4.13 – Motor pneumático de engrenagens. Fonte: BELAN, 2005.
4.2.4 Turbomotores ou turbinas
Turbomotores somente são usados para trabalhos leves, pois sua velocidade de
giro é muito alta, são utilizados por exemplo em equipamentos dentários, que atingem
rotações até 500.000 rpm. A Figura 4.14 apresenta um motor deste tipo.
Figura 4.14 – Exemplo construtivo de turbomotor. Fonte: BELAN, 2005.
4.2.5 Características gerais dos motores pneumáticos
São características vantajosas na utilização de motores pneumáticos,
algumas delas já citadas:
•
Grande escolha de rotação;
•
Construção leve e pequena;
•
Seguro contra sobre-carga, em caso da ocorrência eles simplesmente param;
•
Insensível contra intemperismos como poeira, água, calor e frio;
•
Seguro contra explosão;
•
Conservação e manutenção insignificantes em relação a outros tipos de motores;
•
Sentido de rotação fácil de ser revertido;
•
Baixa quantidade de peças móveis em relação a outros tipos de motores.
4.3 Osciladores pneumáticos
É um tipo de atuador pneumático de menor utilização na indústria, porém é
possível sua utilização em ambientes agressivos, tais como a indústria alimentícia e a
indústria química. Este tipo de atuador está mostrado na Figura 4.15.
Sua operação, devido ao seu modo de construção, é contínua, mesmo sem
lubrificação, o que lhe proporciona excelente aplicação também em indústrias de
eletrônicos e embalagens, e também nos demais lugares onde devem ocorrer operações
limpas, livres de impurezas. Seus movimentos são suaves e precisos, o que lhe
proporciona alto rendimento e eficiência, gerados por um equipamento leve e compacto
(PARKER AUTOMATION, 2000).
A posição angular pode ser controlada tanto com reguladores de curso como
batentes internos.
Os osciladores pneumáticos, geralmente apresentam movimentos que podem
variar entre 60º e 290º.
Figura 4.15 – Osciladores pneumáticos. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
Na Tabela 4.2 estão apresentadas as especificações técnicas de alguns modelos
de osciladores pneumáticos.
Tabela 4.2 – Especificações de alguns dos modelos de osciladores pneumáticos.
Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.
V. DIMENSINAMENTO DO CONJUNTO CILINDRO E VÁLVULA
Para que os projetos de sistemas pneumáticos apresentem o desempenho
esperado inicialmente é de fundamental importância que aconteça um correto
dimensionamento de seus componentes, sendo assim, o correto dimensionamento do
conjunto atuador pneumático e válvula deve receber uma grande atenção, pois além de
poder proporcionar um perfeito funcionamento da instalação em termos de trabalhos a
serem executados, podem gerar uma economia na utilização de ar comprimido, e
consequentemente de dinheiro (DE NEGRI, 2001).
Como evidenciado no capítulo 4, existem no mercado três tipos básicos de
atuadores pneumáticos, que são classificados de acordo com a natureza do movimento
mecânico que são capazes de desenvolver. Porém, um deles apresenta uma maior
aplicabilidade em termos de uso industrial, e por isso receberá uma atenção especial
neste capítulo, são os atuadores lineares ou cilindros pneumáticos.
As especificações dos cilindros, tais como o diâmetro da camisa e o diâmetro
da haste, bem como também algumas variáveis relacionadas às válvulas direcionais
serão buscadas aqui com embasamento que envolve não só alguns estudos presentes na
literatura, mas também questões práticas.
Para se selecionar um cilindro pneumático, deve-se partir de algumas
informações de projeto, tais como: a força que ele irá desenvolver, a pressão de trabalho
fornecida a ele pelo sistema, seu curso máximo, o tempo que ele tem para executar o
trabalho, etc.
O ar comprimido assim como todo fluido é uma substância que se deforma
continuamente quando sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento (DE NEGRI,
2001).
Pode-se dizer que a força de cisalhamento é a componente da força que age
sobre a superfície e, dividida pela área da superfície, dá origem à tensão de
cisalhamento média sobre a área, ou seja.
τ=
F
A
(5.1)
No caso, quando o fluido utilizado é o ar comprimido, a tensão de
cisalhamento pode ser definida como sendo a pressão, e continua sendo a força que age
sobre uma superfície, dividida pela área desta mesma superfície.
Na Tabela 5.1 está apresentada a simbologia de algumas variáveis que
estarão presentes nas fórmulas a partir de agora.
Tabela 5.1 – Simbologia de parâmetros e variáveis
Fonte: DE NEGRI, 2001.
Em relação às válvulas direcionais, uma importante variável a ser
dimensionada para o sistema é a vazão mássica. A vazão mássica representa o fluxo de
massa que passa por uma seção em uma determinada unidade de tempo, e para o caso
da válvula da Figura 5.1 pode ser escrita de acordo com a Equação 5.2.
Figura 5.1 – Seção transversal de uma válvula direcional. Fonte DE NEGRI, 2001.
qm = ρ2 ⋅ A12 ⋅ ν 2
(5.2)
O que representa cada variável da Equação 5.2, bem como suas unidades,
podem ser observadas na Tabela 5.1.
Apenas a título de citação, quando se fala em especificação da vazão de
válvulas, vale a pena salientar que os catálogos técnicos comerciais não utilizam esse
sistema de vazão mássica através de uma seção para dimensionar as válvulas. Nestes
catálogos, as válvulas são especificadas por meio da vazão volumétrica obtida em testes
realizados em conformidade com algumas normas existentes. Dentre estas normas
podemos mencionar:
•
VDI 3290;
•
ANSI/ (NFPA) T3.21.3;
•
ISO 6358.
Por exemplo, a Norma da Associação Alemã de Engenheiros VDI 3290:
1962, define a vazão volumétrica nominal como sendo a quantidade de ar por unidade
de tempo que passa através de um elemento com uma pressão de 7 bar na entrada (P1) e
6 bar na saída (P2), com uma temperatura ambiente de 20º C (DE NEGRI, 2001).
Na maioria dos projetos de sistemas pneumáticos, ou pelo menos na escolha
do conjunto cilindro pneumático e válvula direcional para realizar uma determinada
tarefa, deseja-se que o sistema seja capaz de desenvolver uma determinada força a uma
determinada velocidade, sendo estas dois parâmetros conhecidos no projeto. Outro
parâmetro que geralmente também é conhecido ao se fazer um projeto para o
deslocamento de uma massa é o avanço realizado pelo cilindro, ou comprimento da
haste.
De
posse
destes
valores
citados
acima
parti-se
então
para
o
dimensionamento em si do atuador linear e da válvula direcional. No cilindro
pneumático são procurados valores como o diâmetro da camisa e da haste, já no caso da
válvula, o principal valor a ser buscado é o da vazão nominal.
A figura 5.2 mostra um circuito ilustrativo que será usado de exemplo para
se buscar um método de encontrar estas variáveis procuradas no projeto de um sistema.
Figura 5.2 – Circuito com cilindro e válvula direcional. Fonte: DE NEGRI, 2001.
Neste caso, ao se dimensionar uma válvula muito pequena, a pressão PA
também seria reduzida, e para se alcançar a força FC necessária dever-se-ia escolher um
atuador maior, o que invariavelmente o tornaria mais caro, além de ocasionar um
consumo de ar elevado. Por outro lado, se a válvula escolhida for maior que a
necessidade, o tempo de resposta será maior, o que não é interessante (DE NEGRI,
2001).
O primeiro passo a se buscar no dimensionamento sistema é o diâmetro da
camisa do cilindro pneumático, para isso calcula-se a área na parte traseira da câmara,
ou seja, a área que está em contato com a parte do êmbolo sem a haste. Para tal pode-se
utilizar a Equação 5.3.
Fc = p A ⋅ A A ⋅ ηc
(5.3)
Onde:
hC = rendimento do cilindro, podendo ser adotado em torno de 80%.
Considerando-se um valor da pressão de suprimento igual a 6 bar, um valor considerado
normal, utilizado inclusive nos testes padronizados pelas normas, pode-se considerar o
valor da pressão efetiva PA = 5,5 bar, consequentemente a perda de pressão DP= 0,5 bar.
Com o valor da área AA, calcula-se então o valor do diâmetro da camisa do
atuador, DA.
O segundo passo a ser executado é o cálculo da vazão volumétrica em A, e
pode ser conseguido por meio da Equação 5.4.
qν A ( pA ) = A A ⋅ ν C
(5.4)
Parte-se então para o cálculo de qvA (Po),
⎛ p + 1,013 × 10 5 ⎞
⎟⎟
qν A ( p 0 ) = qν A ( pA ) × ⎜⎜ A
5
1
,
013
10
×
⎠
⎝
(5.5)
E finalmente, com o valor do resultado encontrado por meio da Equação 5.5,
pode-se chegar ao valor da vazão nominal da válvula direcional.
Qn =
qν proj( p 0)
0,4082 × 10 −5 p 2 proj ⋅ Δp proj
(5.6)
Onde:
Qn = Vazão nominal (p = 1,013 bar, T = 20ºC);
qvproj (p0) = Vazão volumétrica de projeto;
p2proj = pressão absoluta de saída (Pa);
Dproj = p1 - p2 = diferença de pressão entre entrada e saída (Pa).
O cálculo da força resultante, como na Equação 5.7, é feito levando-se em
consideração o ar residual presente na câmara B, o cálculo da área em B leva em
consideração o diâmetro da haste, escolhido em tabelas de especificações industriais de
acordo com o diâmetro DA e da força de trabalho a ser vencida. Deve-se sempre também
levar em consideração o fenômeno de flambagem que é passível de acontecer em hastes
de cilindros, principalmente quando estas forem longas e destinadas a deslocar uma
grande carga.
(p A ⋅ A A − p B ⋅ A B ) ⋅ ηC
= FC
(5.7)
Deve-se lembrar que os cálculos feitos por meio das fórmulas apresentadas
acima são teóricos. Os valores encontrados devem se adequar aos valores comerciais
presentes nas tabelas de seleção dos principais fabricantes. Deve-se sempre escolher um
valor imediatamente superior ao encontrado por meio dos cálculos.
VI. APLICAÇÃO AO CASO DAS PLATAFORMAS DE EMBARQUE
Neste ponto do trabalho poder-se-ia, e seria de grande naturalidade, procurar
alguma aplicação na indústria da utilização dos atuadores pneumáticos lineares para se
fazer um estudo de caso. Não são poucas as aplicações deste tipo de equipamento nas
indústrias nos dias de hoje, dentre as quais podemos citar:
•
Elevação de peças;
•
Marcação de peças;
•
Furação de peças;
•
Marcação de peças;
•
Curvatura de placas metálicas;
•
Estampagem de placas metálicas;
•
Mudança e seleção de peças em correias transportadoras.
Porém é um fato notório a preocupação da sociedade em relação à inclusão
social de pessoas com algum tipo de limitação ou deficiência física. Hoje em dia, até
mesmo as empresas devem resguardar certa porcentagem de vagas no quadro de
colaboradores para que estas sejam destinadas às pessoas com certos tipos de
limitações. Outro exemplo desta prática são os concursos públicos.
Tendo esse fato em mente, foi buscada uma aplicação da automação
pneumática que estivesse relacionada à inclusão social de pessoas com deficiência
física. Algumas possibilidades foram analisadas, chegando-se à conclusão de que o caso
das plataformas de embarque de deficientes físicos em veículos do transporte urbano
coletivo seria uma aplicação interessante de ser abordada.
A acessibilidade de pessoas deficientes físicas nestes tipos de veículos vem
ganhando relevância e é tema presente em algumas leis, a citar-se:
A lei estadual do Rio de Janeiro Nº 3.348/99 de 29/ 12/ 1999 regulariza o
atendimento ao usuário portador de deficiência físico-motora no sistema intermunicipal
de passageiros e estabelece em seu Art. 1º:
“Cada linha deverá dispor de três veículos para deficientes que trafeguem de
forma ininterrupta em sentidos opostos, de 6h às 22h, prevista parada para
resbastecimento e troca de tripulação (Inc. 111)”.
Os veículos, dentre outras características, devem apresentar:
•
Degraus articulados;
•
Elevadores para cadeiras de rodas;
•
Mecanismos de segurança;
•
Tripulação com motorista, cobrador e auxiliar para facilitar ingresso e saída do
usuário quando necessário.
Na cidade de Salvador existe uma lei que estabelece que deve existir um
número de cinco por cento da frota de ônibus para atendimento de pessoas portadoras de
deficiência física. Dados do ano de 2006 apontam que naquele ano, 111 veículos já
contavam com este tipo de dispositivo.
Este tipo de equipamento, nos dias de hoje, são construídos com o uso da
tecnologia eletro-hidráulica com o circuito sendo alimentado por 12 Vcc provenientes
da bateria do veículo, como pode ser observado no ANEXO B.
O objetivo a partir de agora será estudar a possibilidade desta montagem ser
elaborada com o uso tecnologia eletropneumática. Neste aspecto o emprego da
pneumática se torna um desafio, visto que o óleo, fluido utilizado na hidráulica
apresenta características distintas quando as comparamos com as do ar comprimido,
principalmente ao que se refere à viscosidade e à compressibilidade.
Um possível circuito eletropneumático também pode ser alimentado pelos 12
Vcc da bateria, não sendo este um empecilho ao projeto. Da mesma forma, assim como
existem nos ônibus dispositivos hidráulicos que utilizam o óleo, como é o caso do
sistema de freios; existem também dispositivos que utilizam o ar comprimido, como na
abertura e fechamento das portas e o sistema de suspensão de alguns modelos, o que
facilitaria a implantação do sistema.
Portanto, torna-se claro que o grande desafio é dimensionar de forma correta
um conjunto cilindro pneumático e válvula que execute o trabalho necessário em tal
situação, e descobrir se este é fabricado pelas empresas existentes no mercado.
6.1 Dimensionamento do atuador linear
Existem no mercado hoje duas grandes empresas fabricantes das plataformas
de embarque de deficientes físicos, a Ortobrás S.A. e a Marksell LTDA., todas duas
apresentando em seus produtos características de construção bastante semelhantes. Na
figura 6.1 pode ser vista uma ilustração com as dimensões das partes envolvidas na
construção das plataformas.
Figura 6.1 – Dimensões construtivas das plataformas. Fonte: ORTOBRÁS, 2007.
Quando o caso é o esquema de funcionamento da plataforma, os produtos
dos dois fabricantes trabalham de maneira idêntica, o que não poderia deixar de
acontecer.
O sistema tem sua posição estacionária com o cilindro em uma posição
intermediária, conhecida como posição de viagem. Ao ser acionado o sistema por meio
de um botão o cilindro recua totalmente, posicionando a plataforma ao nível do solo ou
da calçada. Em um segundo acionamento, o cilindro avança totalmente, parando ao
nível do piso do ônibus; o fato de o cilindro avançar na subida decorre de a área da
câmara traseira do cilindro ser maior, podendo assim este desenvolver uma maior força.
O terceiro passo, e último, é a descida do pistão até a posição de viagem, sendo este
parado por meio de uma trava. A Figura 6.2 mostra esse esquema de funcionamento.
Figura 6.2 – Seqüência de movimentos da plataforma. Fonte: MARKSELL LTDA,
2006.
Um recurso gráfico pode ser utilizado para exemplificar essa seqüência de
movimentação do cilindro, é o diagrama trajeto-passo, nele está desenhada a posição do
atuador linear a cada instante de tempo.
Para o dimensionamento do cilindro pneumático serão adotados os valores
de projeto utilizados pelas empresas já citadas e também outros considerados como
eficientes e seguros, são eles:
O valor do curso do pistão será adotado L = 110 cm ou L = 1,1m, pois está é
a distância padrão entre o solo e o piso do ônibus nos modelos adotada pelas empresas
montadoras deste tipo de veículo.
A massa a ser elevada pelo sistema será adotada m = 250 kg, por considerarse um valor que possua uma margem de segurança elevada para o usuário e a cadeira de
rodas. Conseqüentemente a força de resistência a ser vencida pelo pistão, com seus
devidos arredondamentos, será de F = 2500 N
A pressão adotada inicialmente teria o valor de 6 bar, pois este apresenta-se
como um valor eficiente de pressão para aplicações semelhantes a este caso. Porém será
usado o valor de 6,21 bar, pois este é o valor imediatamente acima presente na tabela de
seleção do fabricante de equipamentos pneumáticos adotada neste trabalho.
O valor da velocidade de avanço convencionou-se v = 70 mm/s como sendo
um valor seguro.
Em geral, no dimensionamento de cilindros adota-se o valor de 80% para o
rendimento. Porém como em tudo na engenharia deve-se primar por uma alta eficiência
e uma conseqüente economia, o valor adotado para os cálculos será de h = 0,9.
O primeiro valor a ser dimensionado é diâmetro da camisa do cilindro, para
isso utiliza-se a Equação 5.3 e adota-se uma queda de pressão na linha de 0,5 bar, sendo
esta proveniente principalmente de escapes de ar na tubulação, resultando em um valor
da pressão efetiva de PA = 5,71 bar.
O valor encontrado para a área da parte traseira da câmara do cilindro foi de
AA = 0,004865 m².
Aplicando este valor na Equação 6.1.
AA =
ΠD A
4
2
(6.1)
Chega-se a um valor de DA = 78,7242 mm ou DA = 3,0993”. Adequando este
valor à tabela de seleção comercial 6.1.
Tabela 6.1 – Parte da Tabela de diâmetros comerciais de cilindros pneumáticos
Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
A Tabela completa pode ser vista no ANEXO A.
Sendo assim o valor comercial mais próximo igual a DA = 3,250”.
Com o uso da Equação 5.4 achou o valor, qvA pA = 0,34055 l/s, Portanto:
qvA pA = 20,433 l/min
Aplicando este valor na equação 5.5, obtem-se:
qvA p0 = 131,371 l/min
E finalmente, com a aplicação deste último na Equação 5.6, chega-se ao
valor da vazão nominal da válvula, Qn:
Qn = 178,349 l/min
Devendo-se escolher o primeiro valor comercial acima deste valor.
Já para a seleção do diâmetro da haste do êmbolo, o catálogo de seleção de
cilindro 1001.5 BR da PARKER AUTOMATION propõe a seguinte equação:
L r = Cm ⋅ (Ct + Tp )
Onde:
Cm = Coeficiente de montagem;
Ct = Curso de trabalho, em polegadas;
Tp = Comprimento do tubo de parada, em polegadas.
O coeficiente de montagem é um valor que se refere ao tipo de montagem da
haste e pode ser obtido por meio da Tabela 6.2.
Já o tubo de parada é um tubo que vai interno à camisa, envolvendo a haste,
deixando-a bi-apoiada, o que proporciona à haste uma maior resistência às cargas
laterais. Este tipo de recurso é usado em casos de cilindros nos quais as hastes são
precariamente guiadas e os cursos são longos. O valor Tp pode ser obtido por meio da
tabela 6.3.
Tabela 6.2 – Escolha do coeficiente de montagem da haste.
Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
Tabela 6.3 – Parte da tabela de seleção do valor de Tp.
Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
Neste ponto vamos considerar que o valor de Cm = 2 é um valor
intermediário e que representa bem a situação real. O valor do curso de trabalho em
polegadas é Ct = 43,307”. Portanto da Tabela 6.3 encontra-se o valor de Tp = 1.
E retornando à Equação 6.1, encontra-se o valor:
Lr = 88,614
Aplicando este valor na Tabela 6.4, acharemos o valor do diâmetro da haste:
Tabela 6.4 – Diâmetro da haste.
Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.
Então, chegamos a um valor comercial para o diâmetro da haste do cilindro
de 1”.
6.2 Simulação dos resultados com o uso do software FluidSim P
A utilização do software FluidSim P, da fabricante FESTO, neste ponto do
trabalho visa simular a aplicação dos valores obtidos pelos cálculos em confronto com
os valores de projeto.
Por exemplo, com a aplicação dos valores de diâmetro do cilindro e da haste
encontrados, bem como da vazão da válvula; busca-se um valor da velocidade de
avanço do cilindro de 70 mm/s, estipulada inicialmente no projeto. Para isso, elaborouse um circuito simples, porém fiel ao funcionamento do sistema, como pode ser visto na
Figura 6.3 da tela principal do software. Os símbolos envolvidos na elaboração deste
circuito, bem como também o que cada um deles representa, podem ser vistos no
ANEXO C.
Figura 6.3 – Tela principal do software FluidSim P.
Os parâmetros de projeto, assim como os valores obtidos por meio do
dimensionamento feito foram configurados para os elementos constituintes do circuito,
como podem ser visto nas figuras seguintes.
Na Figura 6.4 está presente a tela do software onde foram configurados
alguns dos valores relacionados às características construtivas do cilindro.
Na parte superior da figura pode-se observar o valor de 1,1 m para o avanço
máximo da haste. Logo abaixo pode ser observado também o valor de 0,5 m, que
representa as posições inicial e final da haste do cilindro. Podem ser observados
também os valores encontrados, por meio de cálculos de dimensionamento e uma
posterior adequação às Tabelas 6.1 e 6.4, para os diâmetros da camisa do cilindro e
também da haste do mesmo.
Figura 6.4 – Parâmetros de configuração do cilindro.
Na Figura 6.5 pode-se observar a configuração do valor de 250 kg para a
massa do sistema, e na Figura 6.6 o valor de 6500 como sendo a força a ser vencida
pelo sistema no avanço do pistão.
Figura 6.5 – Segunda tela de configuração do cilindro.
Figura 6.6 – Terceira tela de configuração do cilindro.
Na Figura abaixo observa-se a tela do software onde foi configurado o valor
encontrado para a vazão nominal da válvula, Qn = 178,349 l/min. Pode ser visto
também, na parte inferior da tela, o tipo de válvula escolhido, sendo esta uma válvula
direcional de 2 posições e 4 vias e acionamento manual por meio de botão.
Figura 6.7 – Configuração da válvula direcional.
Na Figura 6.8 pode ser observada a tela onde foi configurado o valor de 6,27
bar para o compressor, referente à pressão a ser fornecido por ele ao sistema. Como dito
anteriormente, este valor é referente à adequação a Tabela de seleção comercial de
cilindro, presente no ANEXO A, escolhida para a realização deste trabalho.
Figura 6.8 – Configuração do compressor.
Com a configuração dos parâmetros de projeto e dos valores encontrados ao
sistema representado no software, era esperado que o cilindro fosse capaz de se deslocar
a uma velocidade de 70 mm/s em seu avanço, sendo a ele aplicada uma carga resistiva
ao seu avanço de 2500 N, fato este que realmente ocorreu e pode ser visto na parte
superior da Figura 6.9.
Figura 6.9 – Avanço do cilindro com a velocidade de projeto.
Como o cilindro empregado foi um de dupla ação com amortecimento no
fim de curso, o que gera uma maior segurança nas paradas, era de se esperar que a
velocidade diminuísse gradativamente na parte final do avanço, o que também
aconteceu e pode ser visto na parte superior da Figura 6.10.
Figura 6.10 – Amortecimento no fim de curso.
O retorno do cilindro não apresentou problemas, não sendo este um grande
desafio à uma possível implantação do projeto, tendo em vista que o recuo da haste, ou
descida da plataforma, acontece com o sistema descarregado, quando o usuário do
equipamento esta no solo, esperando para embarcar, ou então no interior do ônibus, já
embarcado. A realização deste retorno acontece por meio da gravidade.
6.3 Considerações finais em relação ao caso das plataformas de embarque
Como era de se esperar a implantação do sistema de embarque de pessoas
com deficiência física por meio de plataformas em veículos do transporte urbano
utilizando a tecnologia eletropneumática é possível. Não existem limitações técnicas em
que impossibilite a aplicação deste projeto.
Os cálculos feitos para o dimensionamento do conjunto cilindro pneumático
e válvula direcional apresentaram resultados satisfatórios quando simulados no
ambiente do software FESTO FluidSim P.
Porém devido principalmente à característica de alta compressibilidade do
ar, alguns inconvenientes podem ocorrer. Existe a possibilidade de a velocidade de
avanço do cilindro sofrer leves variações intermitentes, gerando assim leves vibrações
ao sistema, com um conseqüente desconforto ao usuário. Fato este que é uma
desvantagem em relação à tecnologia hidráulica.
Pode-se notar também que os atuais modelos existentes no mercado podem
sofrer algumas melhorias, principalmente na busca de uma maior segurança ao usuário.
O intertravamento elétrico da abertura da porta do veiculo e do acionamento
da plataforma pode ser uma dessas melhorias, bem como também a separação dos
circuitos de controle de descida e elevação da plataforma.
Nos modelos atuais todo o acionamento do sistema é feito pelo motorista do
veículo, e como todas as pessoas ele está exposto a um possível erro humano. Se
existisse um circuito separado apenas para a subida da plataforma, sendo este acionado
pelo portador de limitação física, apesar de gerar um ônus na implantação do projeto,
seria um ponto positivo no que tange à segurança.
VII. CONCLUSÃO
Pode-se concluir com o término desta pesquisa que a tecnologia pneumática
vem apresentando grande aplicabilidade em termos industriais, fato este que só tende a
crescer. Todo o sistema de produção, tratamento e distribuição foi analisado,
contemplando a utilização dos equipamentos nela envolvidos, para que esta se torne
mais eficaz e econômica.
Percebe-se por meio do estudo dos elementos formadores de um circuito
eletropneumático automatizado que com a associação da tecnologia pneumática e da
automação é possível conseguir grande benefício em aplicações industriais.
Pôde ser visto também que o correto dimensionamento do conjunto cilindro
pneumático e válvula é de fundamental importância para o correto funcionamento de
um projeto, em termos técnicos e econômicos.
Em relação à abordagem ao caso das plataformas de embarque de deficientes
físicos, nos veículos do transporte urbano, conclui-se que a implantação desta com um
sistema pneumático se torna possível. Porém existem alguns inconvenientes,
principalmente os relacionados ao controle da velocidade no avanço do cilindro, o que
torna o sistema eletro-hidráulico preferido.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALVES, G. D., FURST, F., BORGES, J., DE NEGRI, V. J., Dimensionamento de
conjuntos válvula-cilindro pneumáticos – Parte I. In: Revista ABHP, São Paulo.
ALVES, G. D., FURST, F., BORGES, J., DE NEGRI, V. J., Dimensionamento de
conjuntos válvula-cilindro pneumáticos – Parte II. In: Revista ABHP, São Paulo.
ALVES, G. D., FURST, F., BORGES, J., DE NEGRI, V. J., Dimensionamento de
conjuntos válvula-cilindro pneumáticos – Parte III. In: Revista ABHP, São Paulo.
BACK, Nelson. Metodologia de projeto de produtos industriais. Guanabara Dois,
Rio de Janeiro, 1983.
BELAN, H. C. Bancada Didática para Sistemas de Automação Pneumática, Projeto
de Fim de Curso. UFSC. Florianópolis, 2005.
BOLLMANN, A. Automação industrial eletropneumática. Florianópolis, 1995.
CROSER, P., EBEL, F., Pneumatics Basic Level. Festo Pneumatic, Denkendorf, 2002.
DE NEGRI, V. J., Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Automação e Controle
– Parte I. UFSC. Florianópolis, 2001.
DE NEGRI, V. J., Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Automação e Controle
– Parte II. UFSC. Florianópolis, 2001.
DE NEGRI, V. J., Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Automação e Controle
– Parte III. UFSC. Florianópolis, 2001.
FESTO PNEUMATIC. Catálago de linha geral, São Paulo: Festo, 1989.
FESTO PNEUMATIC. Introdução à pneumática, São Paulo: Festo, 1995.
FIALHO, Arivelto Bustamante, Automação Hidráulica, Projeto, Dimensionamento e
Análise de Circuitos, Editora Érica, 4ª Edição, São Paulo 2006.
NEBRA, S. A., Notas de Aula de Máquinas Térmicas, FEM/ UNICAMP, Campinas,
2000.
PARKER AUTOMATION. Tecnologia pneumática industrial. São Paulo, 2000.
Apostila M1001 BR.
PARKER AUTOMATION. Tecnologia eletropneumática industrial. São Paulo,
2001. Apostila M1002-2 BR.
REIS, M. N. E., Comandos hidráulicos e pneumáticos. Belo Horizonte, 2004.
Apostila PUC-MG.
SANTOS, E.S., Comandos pneumáticos. Guaratinguetá, 2006. Apostila UNESP-SP.
www.festo.com.br, acesso em maio de 2006.
www.parkerautomation.com.br, acesso em maio de 2006.
www.marksell.com.br, acesso em setembro de 2006.
www.ortobras.com.br, acesso em setembro de 2006.
www.wikipedia.org, acesso em dezembro de 2006.
www.cabano.com.br, acesso em dezembro de 2006
www.metalplan.com.br, acesso em dezembro de 2006.
www.norgren.com.br, acesso em dezembro de 2006.
www.micromecanica.com.br, acesso em janeiro de 2007.
www.rexroth.com.br, acesso em janeiro de 2007.
www.arsinco.com.br, acesso em janeiro de 2007.
www.mspc.eng.br, acesso em fevereiro de 2007.
www.sbrt.ibict.br, acesso em março de 2007.
ANEXO A
TABELA DE SELEÇÃO DOS CILINDROS DA SÉRIE 3400 DA PARKER
AUTOMATION
ANEXO B
DIAGRAMAS ELETRO-HIDRÁULICOS DOS MODELOS DAS PLATAFORMAS
DE EMBARQUE MKS 250 PDO E MKS 300 PDO DA MARKSELL LTDA.
ANEXO C
SIMBOLOGIA PNEUMÁTICA