Hidropneumática, Notas de estudo de Hidráulica

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HIDROPNEUMÁTICA CENTRO DE FORMAÇÃO PROFISSIONAL PEDRO MARTINS GUERRA Itabira 2004 Presidente da FIEMG Robson Braga de Andrade Gestor do SENAI Petrônio Machado Zica Diretor Regional do SENAI e Superintendente de Conhecimento e Tecnologia Alexandre Magno Leão dos Santos Gerente de Educação e Tecnologia Edmar Fernando de Alcântara Elaboração/Organização Geraldo Magela de Oliveira Unidade Operacional Centro de Formação Profissional Pedro Martins Guerra Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 5/5 Mantenedor Mecânico Apresentação “Muda a forma de trabalhar, agir, sentir, pensar na chamada sociedade do conhecimento. “ Peter Drucker O ingresso na sociedade da informação exige mudanças profundas em todos os perfis profissionais, especialmente naqueles diretamente envolvidos na produção, coleta, disseminação e uso da informação. O SENAI, maior rede privada de educação profissional do país,sabe disso , e ,consciente do seu papel formativo , educa o trabalhador sob a égide do conceito da competência:” formar o profissional com responsabilidade no processo produtivo, com iniciativa na resolução de problemas, com conhecimentos técnicos aprofundados, flexibilidade e criatividade, empreendedorismo e consciência da necessidade de educação continuada.” Vivemos numa sociedade da informação. O conhecimento , na sua área tecnológica, amplia-se e se multiplica a cada dia. Uma constante atualização se faz necessária. Para o SENAI, cuidar do seu acervo bibliográfico, da sua infovia, da conexão de suas escolas à rede mundial de informações – internet- é tão importante quanto zelar pela produção de material didático. Isto porque, nos embates diários,instrutores e alunos , nas diversas oficinas e laboratórios do SENAI, fazem com que as informações, contidas nos materiais didáticos, tomem sentido e se concretizem em múltiplos conhecimentos. O SENAI deseja , por meio dos diversos materiais didáticos, aguçar a sua curiosidade, responder às suas demandas de informações e construir links entre os diversos conhecimentos, tão importantes para sua formação continuada ! Gerência de Educação e Tecnologia Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 6/6 Mantenedor Mecânico 1. AR COMPRIMIDO 1.1 DESENVOLVIMENTO DA TÉCNICA DO AR COMPRIMIDO Embora a base da pneumática seja um dos mais velhos conhecimentos da humanidade, foi preciso aguardar o século XIX para que o estudo do seu comportamento e propriedades se tornasse sistemático. Porém, pode-se dizer que somente após o ano de 1950 é que ela foi realmente introduzida no meio industrial. Antes, porém, já existiam alguns campos de aplicação e aproveitamento da pneumática, como por exemplo, a indústria de mineração, a construção civil e a indústria ferroviária (freio a ar comprimido). A introdução de forma mais generalizada da pneumática na indústria, começou com a necessidade, cada vez maior, da automatização e racionalização dos processos de trabalho. Apesar de sua rejeição inicial, quase que sempre proveniente da falta de conhecimento e instrução, ela foi aceita e o número de campos de aplicação tornou-se cada vez maior. Hoje, o ar comprimido tornou-se indispensável, e nos mais diferentes ramos industriais instalam-se equipamentos pneumáticos. Vantagens Quantidade: o ar, para ser comprimido, se encontra em quantidades ilimitadas praticamente em todos os lugares. Transporte: o ar comprimido é facilmente transportável por tubulações, mesmo para distâncias consideravelmente grandes. Não há necessidade de preocupação com o retorno do ar. Armazenamento: no estabelecimento não é necessário que o compressor esteja em funcionamento contínuo. O ar pode ser sempre armazenado em um reservatório e, posteriormente, tirado de lá. Além disso é possível o transporte em reservatórios. Temperatura: o trabalho realizado com ar comprimido é insensível às oscilações da temperatura. Isto garante, também em situações térmicas extremas, um funcionamento seguro. Segurança: não existe o perigo de explosão. Portanto, não são necessárias custosas proteções contra explosões. (cuidado com explosões mecânicas). Limpeza: o ar comprimido é limpo. O ar que eventualmente escapa das tubulações ou outros elementos inadequadamente vedados, não polui o Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 7/7 Mantenedor Mecânico ambiente. Esta limpeza é uma exigência, por exemplo, nas indústrias alimentícias, madeireiras, têxteis e químicas. Construção dos elementos: os elementos de trabalho são de construção simples e portanto, de custo vantajoso. Velocidade: o ar comprimido é um meio de trabalho rápido, permitindo alcançar altas velocidades de trabalho. (A velocidade de trabalho dos cilindros pneumáticos oscila entre 1-2m/Seg.). Regulagem: as velocidades e forças de trabalho dos elementos a ar comprimido são reguláveis sem escala. Proteção contra sobrecarga: os elementos e ferramentas a ar comprimido são carregáveis até a parada total e portanto seguros contra sobrecargas. Limitações Preparação: o ar comprimido requer uma boa preparação. Impureza e umidade devem ser evitadas, pois provocam desgastes nos elementos pneumáticos. Compressibilidade: não é possível manter uniforme e constante as velocidades dos cilindros e motores pneumáticos mediante ar comprimido. Forças: o ar comprimido é econômico somente até uma determinada força, limitado pela pressão normal de trabalho de 700 kPa (7 bar), e também pelo curso e velocidade. O limite está fixado entre 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kPa). Escape de ar: o escape de ar é ruidoso. Com o desenvolvimento de silenciadores, este problema está atualmente solucionado. Fundamentos Físicos A superfície terrestre é totalmente cercada por uma camada de ar. Este ar, que é de interesse vital, é uma mistura gasosa da seguinte composição: − Nitrogênio aproximadamente 78% do volume. − Oxigênio aproximadamente 21% do volume. Além disso, o ar contém resíduos de Dióxido de Carbono, Argônio, Hidrogênio, Neônio, Hélio, Criptônio e Xenônio. Para melhor compreender as leis e o comportamento do ar, devemos antes considerar as grandezas físicas e sua classificação nos sistemas de medidas. Com o fim de estabelecer relações inequívocas e claramente definidas, os cientistas e técnicos na maioria dos países estão empenhados em definir um só sistema de medidas que será válido para todos, denominado “SISTEMA INTERNACIONAL DE MEDIDAS”, abreviadamentre “SI”. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 10/10 Mantenedor Mecânico Figura 1.2 - Se a pressão permanece constante e a temperatura se eleva 1K partindo de 273 K , o ar se dilata 1 do seu volume. 273 Isto é demonstrado pela lei de Gay- Lussac: V1 T1 ____ = ____ V2 T2 sendo: V1 - volume da temperatura T1 V2 - volume da temperatura T2 Figura 1.3 - Para o ar comprimido vale também a equação geral dos gases: P1 . V1 P2 . V2 _________ = _________ = constante T1 T2 1.2 PRODUÇÃO DO AR COMPRIMIDO Para a produção de ar comprimido são necessários compressores, os quais comprimem o ar para a pressão de trabalho desejada. Na maioria dos acionamentos e comandos pneumáticos se encontra, geralmente, uma estação central de distribuição de ar comprimido. Não é necessário calcular e planejar a transformação e transmissão da energia para cada consumidor individual. A instalação de compressão fornece o ar comprimido para os devidos lugares através de uma rede tubular. Instalações móveis de produção são usadas, principalmente, na indústria de mineração, ou para máquinas que freqüentemente mudam de local. Já ao projetar, devem ser consideradas a ampliação e aquisição de outros novos aparelhos pneumáticos. Por isso é necessário sobredimensionar a instalação para Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 11/11 Mantenedor Mecânico que mais tarde não venha se constatar que ela está sobrecarregada. Uma ampliação posterior da instalação se torna geralmente muito cara. Muito importante é o grau de pureza do ar. Um ar limpo garante uma longa vida útil da instalação. A utilização correta dos diversos tipos de compressores também deve ser considerado. Tipos de Compressores Existem dois tipos básicos de compressores. O primeiro se trata de um tipo baseado no princípio de redução de volume. Aqui se consegue a compressão, sugando o ar para um ambiente fechado, e diminuindo-se posteriormente o tamanho destes ambientes. Este tipo de construção denomina-se compressor de êmbolo ou pistão (compressores de êmbolo de movimento linear). O outro tipo de construção funciona segundo o princípio de fluxo. Sucção do ar de um lado e compressão no outro por aceleração da massa (turbina) Figura 1.4 TIPOS DE COMPRESSORES Compressor de Êmbolo – Curso Linear Compressor de Êmbolo Compressor de Membrana Compressor Rotativo Turbo - Compressor Turbo – Compressor Radial Turbo – Compressor Axial Compressor Multicelular de Palhetas Compressor de Parafusos Helicoidais Compressor Hoots Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 12/12 Mantenedor Mecânico Compressores de Êmbolo Compressor de pistão: este tipo de compressor de êmbolo com movimento linear é hoje o mais utilizado. Ele é apropriado não só para baixas e médias pressões, mas também para altas pressões. O campo de pressão é de cerca de 100 kPa (1bar) até milhares de kPa. Figura 1.5 – Compressor de pistão Compressor de pistão de 2 ou mais estágios: para se obter ar a pressões elevadas, são necessários compressores de vários estágios de compressão. O ar aspirado será comprimido pelo primeiro êmbolo (pistão), refrigerado intermediariamente , para logo ser comprimido pelo segundo êmbolo (pistão). O volume da Segunda câmara de compressão é, em relação ao primeiro , menor. Durante o trabalho de compressão se forma uma quantidade de calor, que tem que ser eliminada pelo sistema de refrigeração. Figura 1.6 – Compressor de pistão de 2 ou mais estágios Os compressores de êmbolo podem ser refrigerados por ar ou água. Para pressões mais elevadas são necessários mais estágios, como segue: até 400kPa até 1500kPa acima de 1500kPa (4 bar), (15 bar), (15 bar), 1 estágio 2 estágios 3 ou mais estágios Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 15/15 Mantenedor Mecânico Turbo-compressor axial: a compressão, neste tipo de compressor, se processa pela aceleração do ar aspirado no sentido axial do fluxo. Figura 1.11 – Turbo-compressor axial Turbo-compressor radial: neste tipo, o ar é impelido para as paredes da câmara e posteriormente em direção ao eixo e daí no sentido radial para outra câmara sucessivamente em direção à saída. Figura 1.12 – Turbo-compressor radial Regulagem dos Compressores Para combinar o volume fornecido com o consumo de ar é necessária uma regulagem dos compressores. Dois valores limites pré-estabelecidos (pressão máxima/mínima), influenciam o volume. Existem diferentes tipos de regulagem: 1) Regulagem de Marcha em Vazio a) Regulagem por descarga b) Regulagem por fechamento c) Regulagem por garras 2) Regulagem de Carga Parcial a) Regulagem na rotação b) Regulagem por estrangulamento. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 16/16 Mantenedor Mecânico 1) Regulagem de Marcha em Vazio a) Regulagem por descarga Na saída do compressor existe uma válvula limitadora de pressão. Quando no reservatório é alcançada a pressão desejada, a válvula abre dando passagem e permitindo que o ar escape para a atmosfera. Uma válvula de retenção impede o retorno do ar do reservatório para o compressor (usado somente em pequenas instalações). Figura 1.13 – Regulagem por descarga b) Regulagem de Fechamento Neste tipo, é fechado o lado da sucção. Com a entrada de ar fechada, o compressor não pode aspirar e continua funcionando em vazio. Esta regulagem é utilizada principalmente em compressores rotativos e também nos de êmbolo. Figura 1.14 – Regulagem de fechamento Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 17/17 Mantenedor Mecânico c) Regulagem por Garras Esta é utilizada em compressores de êmbolo de grande porte. Mediante garras, mantém-se aberta a válvula de sucção, evitando assim que o compressor continue comprimindo. A regulagem é muito simples. Figura 1.15 – Regulagem por cargas 2) Regulagem de Carga Parcial a) Regulagem na rotação Sobre um dispositivo, ajusta-se o regulador de rotação do motor a explosão. A regulagem da rotação pode ser feita manualmente ou também automaticamente, dependendo da pressão de trabalho. b) Regulagem por estrangulamento A regulagem se faz mediante simples estrangulamento no funil de sucção, e o compressor pode assim ser regulado para determinadas cargas parciais. Encontra-se esta regulagem em compressores de êmbolo rotativo e em turbo compressores. Regulagem Intermitente Com esta regulagem, o compressor funciona em dois campos (carga máxima e parada total). Ao alcançar a pressão máxima, o motor acionador do compressor é desligado e quando a pressão chega ao mínimo, o motor é ligado, e o compressor trabalha novamente. A freqüência de comutação pode ser regulada num pressostato, e para que os períodos de comando possam ser limitados a uma média aceitável, é necessário um grande reservatório de ar comprimido. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 20/20 Mantenedor Mecânico Figura 1.19 Material da Tubulação Na escolha do material da tubulação, temos várias possibilidades: − Cobre, tubo de aço preto; − Latão, tubo de aço zincado (galvanizado); − Aço liga e material sintético. Toda tubulação deve ser fácil de instalar, resistente à corrosão e de preço vantajoso. Tubulações instaladas para um tempo indeterminado devem ter uniões soldadas que serão de grande vantagem, pois são bem vedadas e não muito custosas. As desvantagens destas uniões são as escamas, que se criam ao soldar. Estas escamas devem ser retiradas da tubulação. A costura da solda também é sujeita a corrosão e isto requer a montagem de unidades de conversação. Em redes feitas com tubos de aço zincado (galvanizado), o ponto de conexão nem sempre é totalmente vedado. A resistência à corrosão nestes tubos é muito melhor do que a do tubo de aço preto. Lugares decapados (roscas) também podem enferrujar, razão pela qual também aqui é importante o emprego de unidades de conservação. Em casos especiais prevêm-se tubos de cobre ou material sintético (plástico). Tubulações Secundárias Tubulações à base de borracha (mangueiras) somente devem ser usadas onde for requerida uma certa flexibilidade e onde, devido a um esforço mecânico mais elevado, não possam ser usadas tubulações de material sintético. Tubulações à base de borracha podem ser mais caras e menos desejáveis do que as de material sintético. Tubulações à base de polietileno e poliamida hoje são mais freqüentemente usadas em maquinários, e aproveitando novos tipos de conexões rápidas, as tubulações de material sintético podem ser instaladas de maneira rápida e simples, sendo ainda de baixo custo. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 21/21 Mantenedor Mecânico Figura 1.20 1.4 PREPARAÇÃO DO AR COMPRIMIDO Impurezas Impurezas em forma de partículas de sujeira ou ferrugem, restos de óleo e umidade original muitas vezes falhas nas instalações e equipamentos e avarias nos elementos pneumáticos. Enquanto a eliminação primária de condensado é feita no separador após o resfriador, a separação final, filtragem e outros tratamentos secundários do ar comprimido são executados no local de consumo. É necessária especial atenção para a umidade contida no ar comprimido. A água (umidade) penetra na rede através do ar aspirado pelo compressor. A quantidade de umidade em primeiro lugar da umidade relativa do ar, que por sua vez, depende da temperatura e condições atmosféricas. Secagem por Absorção A secagem por absorção é um processo puramente químico. Neste processo, o ar comprimido passa sobre uma camada solta de um elemento secador. A água ou vapor de água que entra em contato com esse elemento, combina-se quimicamente com ele e se dilui formando uma combinação elemento secador- água. Esta mistura deve ser removida periodicamente do absorvedor . Essa operação pode ser manual ou automática. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 22/22 Mantenedor Mecânico Figura 1.21 Com o tempo, o elemento secador é consumido e o secador deve ser reabastecido periodicamente (duas e quatro vezes por ano). O secador por absorção separa ao mesmo tempo vapor e partícula de óleo. Porém, quantidades maiores de óleo influenciam no funcionamento do secador. Devido a isso é conveniente antepor um filtro ao secador. O processo de absorção caracteriza-se por: − Montagem simples da instalação; − Desgaste mecânico mínimo já que o secador não possui peças móveis; − Não necessita de energia externa. Secador por Absorção A secagem por absorção está baseada num processo físico. (Absorver: admitir uma substância à superfície de outra.) O elemento secador é um material granulado com arestas ou em forma de pérola. Este elemento secador é formado por quase 100% de dióxido de silício também conhecido por “GEL” (sílica gel). Cada vez que o elemento secador estiver saturado, poderá der regenerado de uma maneira fácil: fazendo-se fluir ar quente pelo interior da câmara saturada, a umidade é absorvida por este ar e eliminada do elemento. FIEMG CIEMG SESI SENAI JEL Sistema FIEMG Mecânica — — válvula É | reguladora de A / pressão ç fm Disco Tm defietor N - Filtro sinterizado encenado =x ' Lubrificador ” Copo do fitro x dear Filrodear — comprimido comprimido To Parafuso purgador Figura 1.24 Mantenedor Mecânico 25/25 Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 26/26 Mantenedor Mecânico Filtros de Ar Comprimido com Regulador de Pressão A função do filtro de ar comprimido é reter as partículas de impureza, bem como a água condensada. Figura 1.25 – Regulador de pressão Para entrar no copo (1) o ar comprimido deve passar por uma chapa defletora (2) com ranhuras direcionais. Como conseqüência, o ar é forçado a um movimento de rotação. Com isso, separam-se as impurezas maiores, bem como as gotículas de água por meio de força centrífuga, depositando-se no fundo do copo coletor. O filtro(4) sintetizado tem uma porosidade que varia entre 30 e 70 uM. Por ele, as partículas sólidas maiores são retiradas. O elemento filtrante deve ser limpo ou substituído em intervalos regulares quando estiver saturado. O ar limpo passa então pelo regulador de pressão e chega à unidade de lubrificação e daí para os elementos pneumáticos. O condensado acumulado no fundo do copo deve ser eliminado ao atingir a marca do nível máximo admissível, através de um parafuso Purgador (3). Se a quantidade de água é elevada, convém colocar no lugar do parafuso (3) um dreno automático. Dessa forma a água acumulada no fundo do copo pode ser eliminada, porque, caso contrário, a água será arrastada novamente pelo ar comprimido para os elementos pneumáticos. 
 
     
     
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Quando houver uma pequena demanda de ar, a velocidade no bocal é insuficiente para gerar uma depressão (sucção) que possa sugar o óleo do reservatório. Deve-se, portanto, prestar atenção aos valores (fluxo) indicados pelos fabricantes. Figura 1.26 – Lubrificador de ar comprimido Com o lubrificador de ar comprimido, o ar que o atravessa é adicionado de óleo finamente pulverizado. Desta maneira as partes móveis dos elementos pneumáticos são abastecidas de lubrificante, reduzindo o atrito e o desgaste. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 30/30 Mantenedor Mecânico 2. ELEMENTOS PNEUMÁTICOS DE TRABALHO A energia pneumática é transformada em movimento e força através dos elementos de trabalho. Esses movimentos podem ser lineares ou rotativos. Os movimentos lineares são executados pelos cilindros e os movimentos rotativos pelos motores pneumáticos e cilindros rotativos. 2.1 MOVIMENTOS LINEARES Os cilindros de simples ação realizam trabalho recebendo ar comprimido em apenas um de seus lados. Em geral o movimento de avanço é o mais utilizado pra a atuação com ar comprimido, sendo o movimento de retorno efetuado através de mola ou por atuação de uma força externa devidamente aplicada. Figura 2.1 - Cilindro de simples ação com retorno por mola. A força da mola é calculada apenas para que se possa repor o êmbolo do cilindro à sua posição inicial com velocidade suficientemente alta, sem absorver energia elevada. O curso dos cilindros de simples ação está limitado ao comprimento da mola. Por esta razão não são fabricados cilindros de simples ação com atuação por mola com mais de 100mm. Os cilindros de simples ação são especialmente utilizados em operações que envolvam fixação, expulsão, extração e prensagem entre outras. Os cilindros de simples ação podem ainda ser construídos com elementos elásticos para reposição. É o caso dos cilindros de membrana onde o movimento de retorno é feito por uma membrana elástica presa à haste. A vantagem da membrana está na redução do atrito porém a limitação da força nestes casos, se torna uma desvantagem. Estes cilindros são usados especialmente em situações de pequenos espaços disponíveis para operações de fixação e indexação de peças ou dispositivos. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 31/31 Mantenedor Mecânico Figura 2.2 - Cilindros de simples ação com retorno por membrana. Os cilindros de dupla ação realizam trabalho recebendo ar comprimido em ambos os lados. Desta forma realizam trabalho tanto no movimento de avanço como no movimento de retorno. Um sistema de comando adequado permite ao ar comprimido atingir uma câmara de cada vez, exaurindo o ar retido na câmara oposta. Assim quando o ar comprimido atinge a câmara traseira estará em escape a câmara dianteira e o cilindro avançará. No movimento de retorno, o ar comprimido que chega à câmara dianteira e à câmara traseira estará em escape. Como não há a presença da mola, as limitações impostas aos cilindros de dupla ação, estão ligadas às deformações da haste quanto à flexão e à flambagem. Figura 2.3 – Movimento de retorno Figura 2.4 – Movimento de avanço Os cilindros de dupla ação, quando sujeitos a cargas e velocidades elevadas, sofrem grandes impactos, especialmente entre o êmbolo e as tampas. Com a introdução de um sistema de amortecimento, os cilindros podem trabalhar sem o Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 32/32 Mantenedor Mecânico risco do impacto que, na maioria das vezes, danifica o cilindro, causando vazamento e reduzindo o rendimento e a vida útil do cilindro de dupla ação. Para evitar tais danos, antes de alcançar a posição final de curso, um êmbolo de amortecimento interrompe o escape direto do ar, deixando somente uma pequena passagem regulável. Com o escape de ar restringido, cria-se uma sobrepressão que, para ser vencida absorve parte da energia, o que resulta em perda de velocidade nos finais de curso. Figura 2.5 - Cilindro de dupla ação com amortecimento regulável Cilindros Especiais Em muitas aplicações industriais, os cilindros convencionais de simples ação e dupla ação não podem ser utilizados satisfatoriamente. Para esses casos, foram desenvolvidos cilindros diferenciados dos padrões normais. Com cilindros com haste passante, pode-se efetuar trabalho em ambos os lados ao mesmo tempo. Pode-se também utilizar um dos lados somente para acionamento de elementos de sinal. Um ponto positivo importante deste tipo de cilindro é o fato de que, por possuir dois mancais de apoio para as hastes, ele pode suportar cargas laterais maiores, porém, por possuir hastes em ambos os lados ele tem sua capacidade de forças reduzidas em relação a cilindros convencionais com uma única haste. Figura 2.6 – Cilindro com haste passante O cilindro de múltiplas posições é formado por dois ou mais cilindros unidos por suas câmaras traseiras. Desta forma se consegue um curso mais longo em um pequeno espaço físico. Além disso, pode-se conseguir posicionamentos intermediários escalonados. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 35/35 Mantenedor Mecânico Os motores de pistões radiais podem atingir rotações até 5.000 rpm com potências variando entre 2 a 25cv, a pressão normal. Figura 2.12 – Motor de pistão. Tipos de Fixação A posição em que o cilindro vai ser instalado na máquina ou dispositivo, determina o tipo de fixação que será utilizado. A forma como o cilindro vai ser instalado deve prever o menor esforço possível, seja o esforço transversal (flexão) ou longitudinal (Flambagem). Assim o cilindro poderá trabalhar com o melhor rendimento possível com o menor desgaste. A – Fixação rosqueada na tampa dianteira B – Fixação rosqueada na tampa traseira C e D – Fixação por meio de pés E – Fixação por meio de pé único F – Fixação por flange dianteira G – Fixação por flange traseira H – Fixação basculante Figura 2.13 – Tipos de fixação Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 36/36 Mantenedor Mecânico Cálculos Para Cilindros Forças: as forças realizadas pelos cilindros, dependem da pressão do ar, do diâmetro do êmbolo e das resistências impostas pelos elementos de vedação. A força teórica exercida pelo cilindro é calculada segundo a fórmula abaixo: Ft = P x A sendo: Ft = Força teórica do êmbolo (N) A = Superfície útil do êmbolo (cm2 ) P = Pressão de trabalho (Kpa, 105 N /m2 , bar) Cilindro de simples ação: Fav = A . p – (Fr + FF) π . D2 Cilindro de dupla ação (avanço): Fav = P x A – Fr ou Fav = p x _____ - Fr 4 π . D2 – d2 Cilindro de dupla ação (retorno): Fret = P x A2 – Fr ou Fret = P x _________ - Fr 4 Fn = Força efetiva do êmbolo (N) A = Superfície útil do êmbolo (cm2 ) P = Pressão de trabalho (kPa, 105 N/m2 , bar) Fr = Resistência de atrito (N) (3-20% de Ft ) Ff = Força da mola de retrocesso (N) D = Diâmetro do cilindro (cm) d = Diâmetro da haste do êmbolo (cm) Na prática, a força efetiva de trabalho deve ser a teórica, menos as resistências internas ao cilindro. Em condições normais de trabalho (faixa de pressão de 400 a 800 Kpa/4-8 bar), esta resistência pode absorver de 3% a 20% da força calculada. TIPOS DE VEDAÇÃO A vedação das câmaras tem papel fundamental no desempenho dos cilindros, tanto quanto a realização de forças como em relação às velocidades. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 37/37 Mantenedor Mecânico Tabela 2.1 Unidades Especiais Unidade hidropneumática: em muitos casos os cilindros pneumáticos não fornecem velocidades constantes e uniformes de trabalho. Na unidade hidropneumática a uniformidade dos movimentos é dada por um cilindro hidráulico de amortecimento em circuito fechado. Com isso a parte pneumática da unidade passa a ter velocidade constante e uniforme de acionamento. A unidade consiste de um cilindro de ar comprimido, um cilindro hidráulico funcionando como freio com válvula de regulagem de fluxo unidirecional para regulagem de velocidade na parte hidráulica no curso de avanço, e ajuste na válvula de 5/2 vias anexa. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 40/40 Mantenedor Mecânico São válvulas que interferem na trajetória do fluxo de ar, desviando-o para onde for mais conveniente em um determinado momento por ação de um acionamento externo. Para a representação das válvulas direcionais nos circuitos pneumáticos utilizamos simbologia normalizada conforme norma “DIN ISO 1219”. Esta norma nos dá a função da válvula e não considera a construção da mesma. O desenvolvimento dos símbolos nos dá a noção exata de como compreender a simbologia completa das válvulas. Desenvolvimento dos Símbolos Um quadrado representa a posição de comutação. O número de quadrados mostra quantas posições a válvula possui. Setas indicam a direção de passagem do fluxo de ar. Desta forma são representados os bloqueios, nas válvulas. As conexões são indicadas por traços na parte externa, na posição à direita da válvula ou ao centro em casos de válvulas de 3 posições. Identificação das Posições e Conexões Posição de repouso (ou posição normal) é aquela em que a válvula se encontra quando não está acionada. Neste caso para as válvulas de 2 posições, a posição de repouso é aquela que está situada à direita da válvula e para válvulas de 3 posições de repouso será a posição central. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 41/41 Mantenedor Mecânico Identificação das Conexões Conforme a norma DIN ISO 5599 temos a representação das conexões através de números e segundo a norma DIN ISO 1219 temos representação feita por letras Conexão DIN ISO 5599 DIN ISO 1219 Pressão 1 P Exaustão 3,5 R (3/2) R,S (5/2) Saída 2,4 B,A Piloto 14,12 Z,Y Tabela 3.1 2/2 Válvulas direcional 2 vias 2 posições normal aberta (N. A.) 3/2 Válvula Direcional 3 vias, 2 posições normal fechada (N. F.) 3/2 Válvula Direcional 3 vias, 2 posições normal aberta 4/2 Válvula Direcional 3 vias, 2 posições 5/2 Válvula Direcional 4 vias, 2 posições 5/3 Válvula Direcional 5 vias , 3 posições centro fechado Tabela 3.2 - Número de vias e número de posições Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 42/42 Mantenedor Mecânico Figura 3.1 - Exemplo de designação de conexões Tipos de Acionamentos A comutação das válvulas direcionais depende de acionamentos externos, esses acionamentos podem ser: mecânicos, manuais, elétricos, pneumáticos ou ainda combinados. O acionamento deve ser compatível com o momento do acionamento. Por exemplo: Para um sinal de início de ciclo normalmente se usa um acionamento muscular (botão, pedal, alavanca). Quando o acionamento vai ser executado por um cilindro no meio do ciclo, um acionamento mecânico (rolete, gatilho, came) é o mais indicado. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 45/45 Mantenedor Mecânico Figura 3.4 – Válvula de sede de prato (acionamento pneumático) Válvula de sede de prato (acionamento eletromagnético): o funcionamento desta válvula é semelhante às anteriores, o que muda é apenas o acionamento e o fato de que as comutações P para A e A para R ocorrem simultaneamente. Figura 3.5 – Válvula de sede de prato (acionamento eletromagnético) Válvula de sede de prato (acionamento por rolete/ servo-pilotada): com o auxílio de um sistema de acionamento servo-piloto (indireto) tem-se a redução da força necessária ao acionamento, tornando a válvula bastante sensível. Com o acionamento do rolete libera-se a passagem de ar de P para o piloto do carretel principal, que faz a vedação da conexão R com A e logo após abre a passagem de ar de P para A. Figura 3.6 – Válvula de sede de prato (acionamento por rolete/servo-pilotada) Válvula de sede de membrana: esta válvula possui pequeno curso, vedação positiva e pequenas forças de acionamento. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 46/46 Mantenedor Mecânico Quando o piloto Z é acionado, o carretel se desloca para a direita comutando P com A e a conexão B com S para escape. Quando o piloto Y é comutado, liga-se a conexão P com B e a conexão A com R para escape. Figura 3.7 – Válvula de sede de membrana Válvulas Corrediças Válvula de corrediça longitudinal (carretel) : nesta válvula a força de acionamento é pequena porém o curso de comutação é longo, o que torna a válvula lenta na comutação. Figura 3.8 – Válvula de corrediça longitudinal (carretel) Figura 3.9 - Válvula corrediça longitudinal plana Válvula corrediça giratória disco: estas válvulas são normalmente acionadas por alavanca. A comutação se dá pela sobreposição de discos. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 47/47 Mantenedor Mecânico Figura 3.10 – Válvula corrediça giratória disco Válvula de retenção simples: possui um pistão ou esfera apoiada contra uma sede pela ação de uma mola. Com excelente característica de vedação, é utilizada para permitir o fluxo livre em um sentido e impedir o fluxo em sentido contrário. Figura 3.11 – Válvula de retenção simples Válvula de retenção pilotada: construída para permitir fluxo livre numa direção e bloquear o fluxo de retorno até o momento em que uma pressão piloto desloque o pistão ou esfera e abra a válvula. Figura 3.12 – Válvula de retenção pilotada Válvula direcional de carretel deslizante: nesta válvula, uma peça cilíndrica, com diversos rebaixos (carretel), desloca-se dentro de um corpo no qual são usinados diversos furos, por onde entra e sai o fluido. Os rebaixos existentes no carretel são utilizados para intercomunicar as diversas tomadas de fluido desse corpo, determinando a direção do fluxo. Figura 3.13 – Válvula direcional de carretel deslizante A válvula direcional pode assumir duas, três ou mais posições. O número de vias é contado a partir do número de tomadas para o fluido e deve ser igual em cada posição, devendo existir uma correspondência lógica entre elas. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 50/50 Mantenedor Mecânico Válvula de descarga: é usada para descarregar, à baixa pressão, toda a vazão da bomba. Figura 3.18 – Válvula de descarga Válvula de contrabalanço: empregada para controlar um cilindro na vertical, de tal modo que seja evitada a sua descida livre pela ação da carga. Figura 3.19 – Válvula de contrabalanço Válvula de frenagem: esta válvula é usada para evitar que o motor acelere por ação da carga. Figura 3.20 – Válvula de frenagem Válvulas de controle de fluxo: as válvulas controladoras de volume ou de fluxo são usadas para regular velocidades. Permitem uma regulagem simples e rápida da velocidade do atuador, através da limitação da vazão de fluido que entra ou sai do atuador modificando assim a velocidade de seu deslocamento. Válvula controladora de fluxo simples: empregada onde as pressões permanecem relativamente constantes e as faixas de velocidade não são críticas. Pode-se controlar o fluxo com uma restrição fixa ou então com uma válvula variável. Existem, no entanto, unidades mais sofisticadas que incluem uma válvula de retenção para o retorno livre do fluxo. Figura 3.21 – Válvula controladora de fluxo simples Válvula controladora de fluxo com pressão compensada: a do tipo By - pass combina uma proteção de sobrecarga com um controle de fluxo de pressão compensada. Possui um hidrostato, normalmente fechado, que se abre para desviar, no tanque, o fluido que excede ao ajuste da válvula. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 51/51 Mantenedor Mecânico Figura 3.22 – Válvula controladora de fluxo com pressão compensada tipo By-pass A do tipo restrição também mantém um diferencial por meio de hidrostato, normalmente aberto, tendendo a se fechar, bloqueando a passagem do fluxo em excesso proveniente da bomba e que não pode passar através do ajuste. Figura 3.22 – Válvula controladora de fluxo com pressão compensada tipo restrição Válvula controladora de fluxo com compensação de pressão e temperatura: o fluxo que passa através de uma válvula deste tipo está sujeito a variar conforme a temperatura do óleo. Com a compensação de temperatura, apesar de o óleo fluir mais facilmente quando quente, mantém-se um fluxo constante, diminuindo a abertura quando se eleva a temperatura. Consegue-se este resultado com uma haste compensadora, a qual se expande quando aquecida e se contrai quando resfriada. Figura 3.23 – Válvula controladora de fluxo com compensação de temperatura e pressão 3.2 VÁLVULAS DE BLOQUEIO Válvulas de bloqueio são elementos que em geral bloqueiam a passagem de ar em um sentido, permitindo a passagem livre no sentido oposto. A pressão no lado do bloqueio atua sobre o elemento vedante, permitindo assim a vedação perfeita da válvula. Válvula de retenção: impedem completamente a passagem do ar em uma direção, permitindo que o ar passe praticamente livre com a mínima queda de pressão na direção oposta. O fechamento pode ser efetuado através de cone, esfera, membrana ou placa. Figura 3.24 – Válvula de retenção Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 52/52 Mantenedor Mecânico Válvula alternadora: esta válvula possui duas entradas X e Y, e uma saída A . Quando o ar comprimido entra em X, a esfera bloqueia a entrada Y e o ar circula de X para A . Em sentido contrário, quando o ar circula de Y para A, a entrada X fica bloqueada. Quando um lado de um cilindro ou de uma válvula entra em exaustão, a esfera permanece na posição em que se encontrava antes do retorno do ar. Figura 3.25 – Válvula alternadora Estas válvulas são chamadas também de “elemento OU (OR)” e seleciona sinais emitidos por válvulas de “sinais” provenientes de diversos pontos e impede o escape de ar por uma segunda válvula. Se um cilindro ou uma válvula de comando devem ser acionados de dois ou mais lugares, é necessária a utilização desta válvula (alternadora). Figura 3.26 - Exemplo de aplicação Válvula de simultaneidade: esta válvula possui duas entradas X e Y e uma saída A . O ar comprimido pode passar somente quando houver pressão em ambas as entradas. Um sinal de entradas X ou Y impede o fluxo para A em virtude do desequilíbrio das forças que atuam sobre a peça móvel. Quando existe uma diferença de tempo das pressões, a última é a que chega na saída A . Se os sinais de entrada são de pressões diferentes, a maior bloqueia um lado da válvula Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 55/55 Mantenedor Mecânico Figura 3.32 – Válvula reguladora de fluxo unidirecional Regulagem da Entrada de Ar Neste caso, as válvulas reguladoras de fluxo unidirecional são montadas de modo que o estrangulamento seja feito na entrada do ar para o cilindro. O ar de retorno pode fluir para atmosfera pela válvula de retenção. Ligeiras variações de carga na haste do pistão, provocadas, por exemplo, ao passar pela chave fim de curso, resultam em grandes diferenças de velocidade do avanço. Por esta razão, a regulagem na entrada é utilizada unicamente para cilindros de ação simples ou de pequeno volume. Figura 3.33 Regulagem da Saída de Ar Neste caso o ar de alimentação entra livremente no cilindro, sendo estrangulado o ar de saída. Com isso o êmbolo fica submetido a duas pressões de ar. Esta montagem da válvula reguladora de fluxo unidirecional melhora muito a conduta do avanço, razão pela qual a regulagem em cilindros de ação dupla deve ser efetuada na saída do ar da câmara do cilindro. Em cilindros de pequeno diâmetro (pequeno volume) ou de pequeno curso, a pressão do lado da exaustão não pode aumentar com suficiente rapidez, sendo eventualmente obrigatório o emprego conjunto de válvula reguladora de fluxo unidirecional para a entrada e para a saída do ar das câmaras dos cilindros, a fim de se conseguir a velocidade desejada. Figura 3.34 3.4 VÁLVULAS DE PRESSÃO Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 56/56 Mantenedor Mecânico São válvulas que influenciam a pressão dos sistemas pneumáticos. Estão divididas em 3 grupos: − Reguladoras de Pressão; − Limitadoras de pressão; − Válvulas de seqüência. Regulador de pressão com orifício de escape: o regulador tem por função manter constante a pressão de trabalho (secundária) independente da pressão da rede (primária) e consumo de ar. A pressão primária tem que ser sempre maior que a pressão secundária. A pressão é regulada por meio de uma membrana (1). Uma das faces da membrana é submetida à pressão de trabalho, enquanto a outra é pressionada por uma mola (2) cuja pressão é ajustável por meio de um parafuso de regulagem(3). Com o aumento da pressão de trabalho, se movimenta contra a força da mola. Com isso a secção nominal de passagem na sede da válvula (4) diminui até o fechamento completo. Isto significa que a pressão é regulada pela vazão. Por ocasião do consumo, a pressão diminui e a força da mola reabre a válvula. Com isso, manter a pressão regulada se torna um constante abrir e fechar da válvula. Para evitar a ocorrência de uma vibração indesejável, sobre o prato da válvula (6) é constituído um amortecedor por mola (5) ou ar. A pressão de trabalho é indicada por manômetro. Se a pressão crescer demasiadamente do lado secundário, a membrana é pressionada contra a mola. Com isso, abre-se o orifício da parte central da membrana e o ar em excesso sai pelo furo de escape para a atmosfera. Figura 3.35 – regulador de pressão com orifício de escape Regulador de pressão sem orifício de escape: no comércio encontram-se reguladores de pressão sem abertura de escape. Nesses casos, não se pode permitir a fuga do ar contido no sistema para a atmosfera. Funcionamento Por meio do parafuso de ajuste (2) é tensionada a mola (8) juntamente com a membrana (3). Conforme a regulagem da mola (8) a passagem do primário para o Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 57/57 Mantenedor Mecânico secundário se torna maior ou menor. Com isso o pino (6) encostado à membrana afasta ou aproxima a vedação (5) do assento. Se no lado secundário não houver passagem de ar, a pressão aumenta a força à membrana (3), contra a mola (8). Desta forma, a mola (7) pressiona o pino para baixo e a passagem é fechada pela vedação(5). Somente quando houver demanda de ar pelo lado secundário é que o ar comprimido do lado primário voltará a fluir. Figura 3.36 – Funcionamento do regulador de pressão sem orifício de escape Válvula limitadora de pressão: estas válvulas são utilizadas, sobretudo, como válvula de segurança(válvula de alívio). Não permitem um aumento da pressão no sistema, acima da pressão máxima ajustada. Alcançada na entrada da válvula o valor máximo da pressão, abre-se a saída e o ar escapa para a atmosfera. A válvula permanece aberta até que a mola, após a pressão ter caído abaixo do valor ajustado, volte a fechá-la. Também chamada válvula de segurança, é normalmente fechada e situa-se entre a linha de pressão (saída de bomba) e o reservatório. Sua função é limitar a pressão no sistema. Figura 3.37 – Válvula limitadora de pressão Válvula redutora de pressão: sua função é manter pressões reduzidas em certos ramos de um sistema. Normalmente encontra-se aberta. Ao ser atuada pela pressão de saída, tende a se fechar quando o ajuste é atingido. Figura 3.38 – Válvula redutora de pressão Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 60/60 Mantenedor Mecânico Em ambos os temporizadores, o tempo de retardo normal é de 0 a 30 segundos. Este tempo pode ser prolongado com um depósito adicional. Se o ar é limpo e a pressão constante, podem ser obtidas temporizações exatas. Figura 3.42 – Válvula temporizada normal aberta Figura 3.43 - Exemplo de aplicação Divisor binário (flip-flop): este elemento consiste de uma válvula direcional de3/2 vias normalmente fechada, um êmbolo de comando com haste basculante e um came. O acionamento é pneumático. Quando o êmbolo de comando não está submetido à pressão, a haste encontra- se fora do alcance de comando(fig.1). Se for introduzido ar no orifício Z o êmbolo de comando e a haste se deslocam em direção à válvula de3/2 vias. A haste avança e penetra no rebaixo do came girando-o; com isso, o apalpador da válvula de 3/2 vias é acionado e esta estabelece as ligações de P para A, fechando o escape R(fg.2). Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 61/61 Mantenedor Mecânico Retirando o ar de Z, o êmbolo de comando e a haste retornam à sua posição normal. Devido ao travamento por atrito, o came permanece em sua posição, mantendo aberta a válvula de 3/2 vias(fig3). Mediante um novo sinal em Z, A haste do êmbolo de comando avança e penetra no outro rebaixo do came, girando-o . Com isso, libera o apalpador da válvula 3/2 vias, que retorna pela ação da mola, a esfera bloqueia a passagem de P para A e o ar de A escapa por R(fig.1). Retirando o ar de Z o êmbolo e a haste retornam à sua posição inicial. Esta válvula é utilizada para o movimento alternado de retorno e avanço de um cilindro. Figura 3.43 – Divisor binário (flip-flop) Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 62/62 Mantenedor Mecânico 4. CONSTRUÇÃO DE CIRCUITOS PNEUMÁTICOS 4.1 CADEIA DE COMANDOS A disposição gráfica dos diferentes elementos é análoga à representação esquemática da cadeia de comando, ou seja, o fluxo dos sinais é de baixo para cima. A alimentação é um fator muito importante e deve ser bem representada. É recomendável representar elementos necessários à alimentação na parte inferior e distribuir a energia, tal como mencioná-la de maneira ascendente. Para circuitos relativamente volumosos pode-se simplificar, desenhando numa parte do esquema a fonte de energia (unidade de conservação, válvula de fechamento, distribuidor, etc.) assinalando os diferentes elementos por meio da simbologia simplificada (ver resumo de símbolos). Elementos de trabalho Válvulas direcionais Elementos de comando Elementos de processamento de sinais Execução da ordem Saída dos sinais Tratamento dos sinais Cilindros motores, etc. Válv. “memória” Elem. “OU”, “E” temporizadores Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 65/65 Mantenedor Mecânico elementos de trabalho. Para avanço número par e retorno número ímpar por exemplo, 1.01,1.02 O sistema de numeração, orienta de acordo com as funções dos elementos e têm a vantagem, para o homem de manutenção, na prática, conhecer a atuação do sinal de cada elemento por intermédio da numeração. Ao comprovar algum defeito no elemento 2.0, pode-se então partir da premissa de que a causa deve estar no grupo 2 e portanto, em elementos que levam a primeira numeração 2. Na figura seguinte pode-se notar a correspondência dessa numeração. Figura 4.2 – Unidade de conservação Em comandos mais complexos existem, na maioria das vezes, sobreposições, isto é, sinais de um elemento que age sobre diversos grupos. Identificação por Letras Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 66/66 Mantenedor Mecânico Este método é muito importante no estudo de esquemas para os comandos programados em função de trajetória. Seu estudo necessita cálculos, desenho do diagrama e tabelas e a utilização deste método, através de letras, facilita a supervisão. Os elementos de trabalho são identificados por letras maiúsculas e os fins de curso com letras minúsculas, identificados em função da sua posição e do cilindro que os aciona. A, B, C,... Elementos de trabalho. ao, bo, co,... Elementos fins de curso colocados na posição traseira das hastes dos cilindros a1, b1, c1,... Elementos fins de curso colocados na posição dianteira das hastes dos cilindros. A vantagem deste tipo de identificação consiste em que de imediato se pode dizer que, o elemento de sinal fica acionado, quando um elemento de trabalho passa a uma determinada posição. Assim é que por exemplo, o movimento de “A+” resulta em um acionamento “a1” e ao movimento de “B-“ resulta em um final de curso “bo”. Isto quer dizer também que, existe possibilidade de utilizar, como na elétrica, uma combinação de números e letras para a identificação dos elementos. Representação dos Elementos Todos os elementos devem ser representados no esquema na posição inicial de comando. Caso isso não seja possível ou caso não se proceda dessa maneira, é necessário fazer uma observação. Quando válvulas de composição normal forem desenhadas em estados acionados, isto deve ser indicado, por exemplo, em caso de elemento fim de curso, através do desenho do ressalto. Definição das Posições (Conforme VDI 3260) a) Posição de repouso da instalação A instalação está sem energia. O estado dos componentes é definido pela configuração geral do sistema. b) Posição de repouso dos componentes Posição que assumem as partes móveis de uma válvula quando esta não estiver acionada (para válvulas que possuem uma posição definida de repouso, por exemplo, retorno por mola). Na prática se usa no lugar de posição de repouso a terminologia zero (0). Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 67/67 Mantenedor Mecânico c) Posição inicial Posição que assumem as partes móveis de uma válvula após sua montagem na instalação e na conexão de ar comprimido da rede com a qual se torna possível o funcionamento da instalação. Representação Simbólica CILINDRO Inicialmente recuado Inicialmente avançado VÁLVULAS Na posição de repouso Inicialmente acionada Sentido de acionamento No esquema deve ser indicado o sentido de acionamento do Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 70/70 Mantenedor Mecânico − Diagrama de movimentos; − Diagrama de Comando. Enquanto no diagrama de movimentos se representam os estados dos elementos de trabalho e as unidades construtivas, o diagrama de comando fornece informações sobre o estado de elementos de comando individual. Diagramas de Movimentos Diagrama trajeto-passo: neste caso, se representa a seqüência de operação em um elemento de trabalho, levando-se ao diagrama a indicação do movimento em dependência de cada passo considerando (passo: variação do estado de qualquer unidade construtiva). Se existirem diversos elementos de trabalho, estes estão representados da mesma maneira e desenhados uns sobre os outros. A correspondência é realizada através de passos. Figura 4.4 – Diagrama trajeto-passo para cilindro pneumático Do passo “1” até o passo “2”, o cilindro avança da posição final traseira para a posição final dianteira, sendo que esta é alcançada no passo “2”. A partir do passo “4”, o cilindro retorna e alcança a posição final traseira no passo “5”. Figura 4.5 – Diagrama trajeto-passo do 1 ao 5 Recomendações para o traçado do diagrama: − Os passos devem ser desenhados horizontalmente e com as mesmas distâncias. − O trajeto não deve ser desenhado em escala e deve ser igual para todas as unidades construtivas. − No caso de haver várias unidades, a distância vertical entre os trajetos não deve ser muito pequena (1/2 até 1 passo). Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 71/71 Mantenedor Mecânico − Podem ser introduzidos passos intermediários se durante o movimento altera- se a condição da instalação, por exemplo, pela atuação de uma chave fim de curso na posição central do cilindro, ou pela modificação da velocidade de avanço. − A designação da condição da instalação pode ser de duas formas: através de indicação da posição (atrás-frente), em cima-espaço etc) ou também através de números (por exemplo, “0” para a posição final traseira e “1” ou “L” para a posição final (dianteira). − A designação da representativa unidade deve ser anotada ao lado esquerdo do diagrama, por exemplo, cilindro A. Diagrama trajeto – tempo: neste diagrama, o trajeto de uma unidade construtiva é desenhado em função do tempo, contrariamente ao diagrama “trajeto-tempo”. Neste caso o tempo é desenhado e representa a união cronológica na seqüência, entre as distintas unidades. Figura 4.6 – Diagrama trajeto-tempo Para a representação gráfica vale, aproximadamente, o mesmo que para o diagrama trajeto-passo, cuja relação está clara através das linhas de união (linhas dos passos), sendo que as distâncias entre elas correspondem ao respectivo período de duração do trajeto na escala de tempo escolhida. Enquanto o diagrama trajeto-passo oferece uma melhor visão das trajetórias e suas correlações, no diagrama trajeto-tempo, pode-se representar com mais clareza, as sobreposições e as diferentes velocidades de trabalho. Recomenda-se o seguinte: − Os diagramas trajeto-passo devem ser utilizados com preferência para o projeto e representação de comandos de percurso planificado (comandos de seqüência guiados pelo processo), visto que neste caso, o tempo desempenha uma função secundária. − Os diagramas trajeto-tempo devem ser utilizados com preferência para o projeto e representação de comandos de tempo planificados (comandos de seqüência guiados pelo tempo), visto que nestes diagramas a dependência cronológica da seqüência do programa está claramente representada. − Caso seja necessário elaborar diagramas para elementos rotativos de trabalho (por exemplo: motores elétricos, motores pneumáticos), deverão ser utilizadas as mesmas formas básicas. Porém, não é levada em consideração a seqüência cronológica da modificação da condição, isto é, no diagrama trajeto- Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 72/72 Mantenedor Mecânico passo, uma modificação da condição (por exemplo: ligar um motor elétrico) não passa ao longo de todo um passo, mas sim é desenhado diretamente na linha do passo. Diagrama de comando: no diagrama de comando, anotam-se os estados de comutação dos elementos de introdução de sinais e dos elementos de processamento de sinais, sobre os passos, não considerando-se os tempos de comutação, por exemplo, o estado de válvulas “a1”. Figura 4.7 – Diagrama de comando No exemplo anterior, um elemento de fim de curso é acionado no passo “2” e desacionado no passo “5”. Recomenda-se o seguinte: − O diagrama de comando deve, se possível, ser desenhado em combinação com o diagrama de movimentos. − Os passos ou tempos devem ser desenhados em forma horizontal. − A distância vertical das linhas de movimentos pode ser igual, porém devem ser bem visíveis. A figura seguinte mostra o diagrama funcional (diagrama de movimento e de comando) para o exemplo. O diagrama de comando mostra os estados dos elementos (‘1.1” para “A” e “2.1” para”B”) e o estado do fim de curso “2.2”, que está instalado no final de curso dianteiro do cilindro A . Figura 4.8 – Diagrama funcional (movimento e comando) Como já havia sido mencionado, os tempos de comutação dos equipamentos não são considerados no diagrama de comando. Entretanto, como mostrado na chave Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 75/75 Mantenedor Mecânico No diagrama de comando pode-se notar a influência de sinais. Por regra geral, o diagrama de comando é desenhado como se houvesse apenas válvulas com acionamento por rolete ou por came na função de chave fim de curso. Além disso deve-se observar se os sinais que influenciam o mesmo cilindro estão desenhados na mesma cadeia de comandos, se têm efeitos contrários, como por exemplo o “1.2” e o “1.3”. Uma contra-pressão de sinais aparece quando ambos os sinais que se representam em um elemento de comando chegam simultaneamente (valor de sinal “1”). Para uma fácil compreensão com respeito a contra-pressão, é recomendável desenhar, no diagrama de comando, um elemento abaixo do outro. Figura 4.13 Observe que no circuito em questão não há contra-pressão ou a necessidade de desligamento de sinal, pressupondo que no elemento de sinal “1.2” não existe sinal “1”, pouco antes do passo “3”. Como se trata de acionamento por botão manual, não é necessariamente seguro. Se o botão “1.2” permanecer acionado por mais tempo, bloqueará o sinal de “1.3” e o movimento fica parado no passo “3”, até que o botão seja liberado. Resta considerar que a válvula “2.3” está acionada na posição de partida (aberta). Isto não apresenta inconveniente, pois “2.3” ficará livre quando o cilindro “A” avançar, não havendo, portanto, contra-pressão em “2.1”. Figura 4.14 - Circuito completo Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 76/76 Mantenedor Mecânico 5. SIMBOLOGIA PNEUMÁTICA TRANSFORMAÇÃO DE ENERGIA Compressor Bomba de vácuo Motor pneumático de velocidade constante com um sentido de Rotação Motor pneumático de velocidade constante com dois sentidos de rotação Motor pneumático com velocidade variável com 1 sentido de rotação Motor pneumático com velocidade variável com dois sentidos de rotação Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 77/77 Mantenedor Mecânico Cilindro pneumático com campo giratório limitado Cilindro de ação simples retorno por força externa Cilindro de ação simples retorno por mola Cilindro de ação dupla com haste de êmbolo unilateral Cilindro de ação dupla com haste de êmbolo passante Cilindro diferencial com haste de êmbolo reforçada Cilindro de ação dupla com amortecimento regulável em ambos os lados Cilindro telescópico de ação simples com retorno por força externa Cilindro telescópico de ação dupla Intensificador para o mesmo meio de pressão Intensificador para ar e óleo Conversor do meio de pressão, por ex. de ar para óleo COMANDO E REGULAGEM DE ENERGIA: VÁLVULAS DIRECIONAIS Válvula direcional de 2 vias – 2 posições – posição normal fechada Válvula direcional de 2 vias – 2 posições – posição normal Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 80/80 Mantenedor Mecânico Válvula reguladora de fluxo, acionamento mecânico ou rolete e retorno por mola VÁLVULA DE FECHAMENTO Válvula de fechamento, representação simplificada VÁLVULAS REGULADORAS DE FLUXO COM VÁLVULA DE RETENÇÃO EM LIGAÇÃO PARALELA Válvula reguladora de fluxo com retorno livre (unidirecional) Válvula reguladora de fluxo com diafragma e retorno livre (unidirecional) TRANSMISSÃO DE ENERGIA Fonte de pressão Linha de trabalho (utilização) Linha de comando (pilotagem) Linha de escape (exaustão) Tubulação flexível Instalação elétrica Conexão Fixa (derivação) Cruzamento de linhas não interligadas Ponto de escape Escape livre Escape dirigido Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 81/81 Mantenedor Mecânico Ponto de ligação de pressão fechado Ponto de ligação de pressão com conexão Conexão rápida, acoplada com válvulas de bloqueio sem abertura mecânica Conexão rápida, acoplada com válvulas de bloqueio com abertura mecânica (engate rápido) Conexão rápida, desacoplada, canal fechado Conexão rápida, desacoplada, canal aberto Conexão giratório em um só sentido Conexão giratória nos dois sentidos Silenciador Reservatório pneumático (acumulador) Filtro Separador de água com dreno manual Separador de água com dreno automático Filtro com separador de água com dreno automático Secador de ar Lubrificador Unidade de conservação (filtro, válvula reguladora de pressão, lubrificador e manômetro). Simbolização simplificada Refrigerador (resfriador) ACIONAMENTO – PEÇAS MECÂNICAS Eixo, movimento giratório em um sentido Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 82/82 Mantenedor Mecânico Eixo, movimento giratório em dois sentidos Engate (trava) Trava (símbolo para o meio de acionamento para destravar) Dispositivo de avanço intermitente Conexão articulada, simples Conexão articulada com eixo de alavanca passante Articulação com ponto fixo (oscilante) MEIOS DE ACIONAMENTO – ACIONAMENTO MANUAL (MUSCULAR) Geral Por botão Por alavanca Por pedal ACIONAMENTO MECÂNICO Por came (pino) Por mola Por rolete apalpador Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 85/85 Mantenedor Mecânico Conversor pneumático-elétrico Aparelho sensitivo de pressão (pressostato) Aparelho sensitivo de temperatura (termostato) Aparelho sensitivo de fluxo Indicador óptico 5.1 SÍMBOLOS ESPECIAIS – NÃO NORMALIZADOS Sensor de reflexão Bocal emissor para barreira de ar Bocal receptor alimentado para barreira de ar Detector por obstrução de fuga Barreira de ar (forma de garfo) AMPLIFICADORES Amplificador (por exemplo: 0,5 mbar a 100 mbar) Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 86/86 Mantenedor Mecânico Amplificador de vazão Amplificador de pressão (com pré-amplificador) CONVERSORES DE SINAIS – NÃO NORMALIZADOS Elétrico-pneumático Pneumático-elétrico CONTADORES – NÃO NORMALIZADOS Contador de subtração Contador por diferença Contador por adição 6. COMANDOS HIDRÁULICOS 6.1 PRINCÍPIOS BÁSICOS A palavra hidráulica provém do grego hydra que significa água, e aulos que significa cano. A hidráulica consiste no estudo das características e uso dos fluidos confinados ou em escoamento como meio de transmitir energia. Abordaremos a óleo-hidráulica, um ramo da hidráulica que utiliza o óleo como fluído. Lei de Pascal O cientista francês Blaise Pascal enunciou o seguinte princípio : “A pressão exercida em um ponto qualquer de um líquido estático é a mesma em todas as direções e exerce forças iguais em áreas iguais.” Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 87/87 Mantenedor Mecânico Figura 6.1 Somente a partir do início da revolução industrial é que o mecânico britânico Joseph Bramah veio a utilizar a descoberta de Pascal para desenvolver uma prensa hidráulica. Figura 6.2 Como se pode constatar através da figura, uma força de 10 kgf, aplicada a um pistão de 1 cm2 de área, desenvolverá uma pressão de 10 kgf/cm2 em todos os sentidos dentro do recipiente. Essa pressão suportará um peso de 100 kgf se tivermos uma área de 10 cm2 (as forças são proporcionais às áreas dos pistões) : 10 kgf = 100kgf 1 cm2 10 cm2 Definição de Pressão Pressão é a força exercida por unidade de área. Na hidráulica, é expressa em kgf/ cm2 , Atm ou Bar. P = F A P = kgf/ cm2 F = kgf A = cm2 
 
     
     
     @A B02!4#C !DE!23F%2)3 8 "G"H=IJ#C ;KLHNMO "KPHRQ (SCTU NV Conservação e Transmissão de Energia Hidráulica Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 90/90 Mantenedor Mecânico Figura 6.6 – Fluxo em série Fluxo através de uma restrição (orifício): para que haja fluxo de óleo de um orifício, tem que haver uma diferença ou queda de pressão (∆ P). Inversamente, se não houver fluxo, não haverá queda de pressão. 6.3 FORÇA DO ATUADOR A força do atuador é proporcional à pressão e à área: F = P . A F = força, em kgf P = pressão, em kgf/ cm2 A = área, em cm2 6.4 VELOCIDADE DO FLUIDO (ATUADOR LINEAR E ENCANAMENTO) A velocidade nos tubos e cilindros depende de suas dimensões e da quantidade de fluido que estes estão recebendo: V = Q A V = velocidade, em dm/min Q = vazão, em 1/min A = área, em dm2 6.5 POTÊNCIA EM UM SISTEMA HIDRÁULICO A potência requerida para girar a bomba depende da vazão e da pressão máxima de trabalho. Considerando que o sistema não tenha 100% de eficiência, usamos: N = Q . P 426 N = potência, em cv Q = vazão, em 1/min P = pressão, em kgf/ cm2 N = 0,0007 . Q . P N = potência, em H. P. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 91/91 Mantenedor Mecânico Q = vazão, em G.P.M. P = pressão, em P.S.L. 
 
     
     
     SH8 ~KPD,€f‚Nƒ=?,„7? 6.6 FLUIDOS HIDRÁULICOS A seleção e o cuidado na escolha do fluido hidráulico terão um efeito importante no desempenho e na vida dos componentes hidráulicos de uma máquina. A formação e aplicação dos fluidos hidráulicos são, por si mesmas, uma ciência bem além da finalidade deste estudo. Nesta fase da publicação, encontram-se apenas os fatores básicos envolvidos na escolha de um fluido e sua utilidade. Um fluido é definido como qualquer líquido ou gás. Entretanto o termo “fluido”, no uso geral em hidráulica, refere-se ao líquido utilizado como meio de transmitir energia. Nesta etapa, “fluido” significará o fluido hidráulico, seja um óleo de petróleo, um óleo especialmente composto, ou um fluido especial à prova de fogo, que pode ser um composto sintético. As Funções do Fluido O fluido hidráulico tem quatro funções primárias: − transmitir energia; Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 92/92 Mantenedor Mecânico Figura 6.7 – Transmissão de energia hidráulica − lubrificar peças móveis; − vedar folgas entre estas peças; Figura 6.8 – O fluido lubrifica as partes móveis Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 95/95 Mantenedor Mecânico Se um fluido escoa facilmente, sua viscosidade é baixa (pode-se dizer que o fluido é fino ou que falta corpo). Um fluido que escoa com dificuldade tem alta viscosidade (é grosso ou tem bastante corpo). 6.7 EXERCÍCIOS 1. Assinale as afirmativas verdadeiras: A hidráulica consiste no uso do fluido confinado para: a) ( ) ser fonte de energia b) ( ) ser meio de transmissão de energia c) ( ) multiplicar forças d) ( ) multiplicar energia 2. Complete: Pressão é a ____________________________________exercida por unidade de ______________________expressa em _________________ou______________ 3. De acordo com o desenho abaixo, dê o valor da pressão a ser lida no manômetro. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 96/96 Mantenedor Mecânico 4. Cite as funções do fluido hidráulico 5. Quais são os itens de exigência de qualidade na escolha do fluido hidráulico? 6.8 RESERVATÓRIOS O projeto de sistemas hidráulicos industriais tem uma vantagem sobre o de sistemas aeronáuticos ou de equipamento móvel. Essa vantagem está na flexibilidade do desenho de um reservatório, pois, se não houver problemas de localização ou de tamanho, este pode ser projetado para cumprir várias funções. Basicamente, o reservatório armazena o fluido até que este seja solicitado pelo sistema, devendo no entanto: − ter espaço para separação do ar do fluido; − permitir que os contaminadores se assentem; − ajudar a dissipar o calor gerado pelo sistema. Mecânica ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 97/97 Mantenedor Mecânico Figura 6.8 – O reservatório deve ser projetado visando à fácil manutenção. 6.8.1 CONSTRUÇÃO Um reservatório industrial típico, conforme as normas da indústria, é demonstrado abaixo.