Sistemas Hidraulicos UFS Car1

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LABORATÓRIO DE SISTEMAS HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS

Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Automação e Controle PARTE I – Princípios Gerais da Hidráulica e Pneumática

Prof. Victor Juliano De Negri, Dr. Eng.

Florianópolis, Março de 2001 Pedido de Direitos Autorais sob número de protocolo 192/2004.

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Parte I - Princípios Gerais da Hidráulica e Pneumática – LASHIP/EMC/UFSC i Índice

1 Introdução1
2 Contexto da Hidráulica e Pneumática2
2.1 Tecnologias para ação mecânica2
2.2 Sistemas de automação e controle7
3 Princípios físicos fundamentais13
3.1 Fluidos hidráulicos e pneumáticos13
3.2 Princípio de Pascal16
3.3 Compressibilidade dos fluidos17
3.3.1 Expressão do módulo de compressibilidade19

Parte I - Princípios Gerais da Hidráulica e Pneumática – LASHIP/EMC/UFSC 1

PARTE I –PRINCÍPIOS GERAIS DA HIDRÁULICA E PNEUMÁTICA 1 Introdução

Por sua natureza, os sistemas hidráulicos e pneumáticos constituem-se em uma forma concreta de aplicação dos princípios da mecânica dos fluidos compressível e incompressível a qual embasa o desenvolvimento de componentes e circuitos.

Por outro lado, os conceitos de automação e controle estão intimamente relacionados com a hidráulica e pneumática, pois esta área da tecnologia possui dispositivos para atuação mecânica rotacional e translacional para uma vasta gama de forças, torques, velocidades e rotações. O estudo da automação e controle engloba diversas áreas como lógica Booleana, Teoria de controle, metrologia e mecatrônica.

Assim sendo, conforme será visto de maneira introdutória no decorrer deste trabalho, a efetiva compreensão desta área implica em mesclar estas várias disciplinas enfatizando alguns aspectos para o domínio da hidráulica e outros mais para a pneumática.

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2 Contexto da Hidráulica e Pneumática

2.1 Tecnologias para ação mecânica

As máquinas e processos são projetados e construídos para cumprir objetivos variados como produção de peças, embalagem de produtos, preparação de substâncias, transporte entre estações de trabalho etc. Essencialmente, estes objetivos são alcançados principalmente por meio de ações mecânicas que produzem movimentos lineares ou rotativos, conforme ilustrado nos exemplos a seguir.

Na figura 2.1 exemplifica-se uma aplicação intensa da hidráulica na indústria que são as máquinas injetoras, onde existem varias atuações tanto para o fechamento e abertura do molde quanto para a injeção da matéria prima. Na figura 2.2 mostra-se um equipamento pneumático destinado à alimentação de uma máquina ferramenta com materiais na forma de painéis.

Figura 2.1 – Máquina injetora hidráulica (PAULSON, 1998)

Figura 2.2 – Equipamento pneumático para alimentação de máquina ferramenta composto de: 1)

Ventosas; 2) Esteira transportadora; 3) Máquina ferramenta; 4) Braço giratório; 5) Atuador rotativo; 6) Atuador de elevação; 7) Atuador eletromecânico de elevação; 8) Painéis; 9) Guia linear; 10) Plataforma de elevação. (HESSE, 2000)

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A utilização da hidráulica e pneumática é bastante intensa não somente na indústria. Na área móbil (ônibus, caminhões, tratores, automóveis etc.) tem-se várias aplicações como na máquina agrícola apresentada na figura 2.3 envolvendo acionamento, direção e posicionamento de implementos. No avião esboçado na figura 2.4 verifica-se também o uso intenso da hidráulica. Uma visão geral do campo de aplicação dos sistemas hidráulicos e pneumáticos encontra-se na figura 2.5.

Figura 2.3 – Aplicação da hidráulica em máquinas agrícolas

Figura 2.4 – Atuações hidráulicas na aviação. (SULLIVAN, 1998)

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Os exemplos acima são uma mostra do potencial de aplicação da hidráulica e pneumática. Porém, igualmente competitiva é a utilização de dispositivos elétricos e mecânicos isoladamente ou em conjunto entre si e com a H&P. Seja qual for a tecnologia escolhida, sempre se deseja que os dispositivos promovam ações mecânicas através do controle de força ou torque, posição linear ou angular e velocidade linear ou rotação. As figuras 2.6 a 2.10 apresentam alguns exemplos de atuadores.

Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos Mineração

Indústria madeireira

Indústria alimentíciaIndústria têxtil Indústria do plástico

Máquinas agrícolas Manufatura

Robótica

Veículos de estrada Indústria automobilística

Máquinas para construção civil

Construção de navios e tecnologia de embarcações

Aeroespaço

Equipamentos de simulação e testes de carregamentos

Engenharia médica Figura 2.5 – Campos de aplicação da hidráulica e pneumática. (IVANTYSYNOVA, 1998).

Figura 2.6– Servo-motores de Corrente Alternada com módulo de controle (MANNESMANN REXROTH, 199-_)

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Figura 2.7 - Acionamento linear utilizando servo-motores (motores elétricos com fusos) (MANNESMANN REXROTH, 199-_)

Figura 2.8 – Transmissão mecânica por engrenagens (MANNESMANN REXROTH, 199-_)

Parte I - Princípios Gerais da Hidráulica e Pneumática – LASHIP/EMC/UFSC 6 Figura 2.9 – Exemplos de motores e cilindros hidráulicos (MANNESMANN REXROTH, 199-)

Figura 2.10 – Exemplos de cilindros, motores e osciladores pneumáticos (FESTO, 1990)

O momento exato da atuação ou a forma como esta deve ocorrer (lentamente, em rampa, com um determinado erro máximo etc.) deve ser controlada. Para tal deve ser permitido o comando por parte do operador com um esforço mínimo e de forma bastante facilitada. O meio mais confortável para ação do operador atualmente é através de chaves, botões, teclados, toques em telas etc. onde a ação do operador fornecerá um sinal elétrico que será transmitido para dispositivos adequados.

Do conjunto de princípios de atuação apresentados acima (elétricos, mecânicos, hidráulicos e pneumáticos), com os meios mecânicos encontra-se maior dificuldade em interfacear com sinais elétricos de comando. Com motores e acionamentos lineares elétricos é evidente a facilidade de

Parte I - Princípios Gerais da Hidráulica e Pneumática – LASHIP/EMC/UFSC 7 recepção de sinais elétricos. Os atuadores hidráulicos e pneumáticos, conforme será visto ao longo deste trabalho, são comandados por meio de válvulas que podem ser eletro-hidráulicas ou eletropneumáticas, possibilitando, portanto, o interfaceamento com sinais elétricos vindos de botões ou mesmo de CLP’s (Controladores Lógicos Programáveis).

A seleção da tecnologia para atuação depende de vários aspectos como custo, condições ambientais, mantenabilidade, confiabilidade etc. Exclusivamente sob o ponto de vista de requisitos técnicos, a figura 2.1 apresenta os domínios de utilização de sistemas hidráulicos (H), conjuntos motor elétrico-fuso (M), pneumática (P) e motor de passo (S), em função da força e velocidade requeridos para uma dada aplicação.

Figura 2.1 – Campos de aplicação de tecnologias para automação e controle (HESSE, 2000) 2.2 Sistemas de automação e controle

Todos os exemplos de máquinas, equipamentos e circuitos veiculares apresentados na seção anterior são conhecidos como sistemas de automação e/ou sistemas de controle. Ou seja, a existência de automação ou controle implica no emprego de dispositivos como os mostrados nas figuras 2.6 a 2.10.

Assim, para uma melhor compreensão da área de hidráulica e pneumática, é importante o entendimento acerca dos termos sistema de automação e sistema de controle:

Sistema de Automação: Emprega-se esta denominação quando se interpreta que um conjunto de componentes interconectados tem como função principal a realização de uma ou mais ações segundo uma lógica pré-determinada e em resposta à ocorrência de eventos. As ações podem ser o avanço ou recuo de um cilindro, o acionamento ou não de uma ventosa, o acionamento ou parada de um motor

Parte I - Princípios Gerais da Hidráulica e Pneumática – LASHIP/EMC/UFSC 8 elétrico, pneumático ou hidráulico. Os eventos correspondem a sinais decorrentes do término de uma tarefa ou à mudança do estado de um dispositivo, caracterizando-se por serem abruptos e instantâneos. Como exemplos de eventos, pode-se citar o acionamento de botões pelo operador, o fechamento de contatos em chaves fim-de-curso de cilindros e a detecção de presença de peças em um magazine.

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