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Projetos de sistemas fluido-mecânicos Conceitos, dimensionamento, parâmetros fundamentais para especificação dos motores hidráulicos, documentação necessária para projetos de sistemas pneumáticos e hidráulicos. Prof. Raphael de Souza dos Santos 1. Itens iniciais Propósito Apresentar os conceitos envolvidos no dimensionamento dos sistemas pneumáticos e hidráulicos. Discutir os principais cálculos utilizados no dimensionamento dos atuadores aplicados em sistemas pneumáticos e hidráulicos e na determinação dos parâmetros dos motores hidráulicos. Descrever os documentos necessários para a elaboração de projetos pneumáticos e hidráulicos. Objetivos • Descrever o dimensionamento de sistemas pneumáticos. • Descrever o dimensionamento de sistemas hidráulicos. • Listar os documentos necessários para o desenvolvimento de projetos pneumáticos e hidráulicos. Projetos de sistemas pneumáticos e hidráulicos Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. 1. Dimensionamento de sistemas pneumáticos Dimensionamento dos cilindros dos sistemas pneumáticos Características construtivas de sistemas pneumáticos Neste vídeo, o professor Raphael dos Santos, mestre em Engenharia Elétrica, fala sobre as características construtivas de sistemas pneumáticos. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. A determinação do atuador adequado ao processo, em um sistema pneumático ou hidráulico, demanda que as forças e as velocidades dos equipamentos (máquinas, processos, operadores etc.) sejam conhecidos. Atuadores lineares As forças de avanço e de recuo de um atuador do tipo cilindro linear são influenciadas diretamente pela pressão da operação dos sistemas, bem como pelas dimensões das áreas de atuação dos cilindros durante seu movimento. As velocidades do atuador variam com as dimensões do cilindro e a vazão dos sistemas, responsável direta pela pressão dele. Os volumes de ar e de óleo fornecidos pelo compressor e pela bomba, respectivamente, são responsáveis diretamente pela velocidade do atuador. Quanto maior for o volume de ar ou de óleo fornecido por unidade de tempo, maior será a velocidade dos atuadores. Saiba mais Essa velocidade de resposta dos cilindros será maior tendo em vista que o preenchimento das câmaras dos cilindros será feito de maneira mais rápida, pela elevada vazão. Parâmetros de um atuador do tipo cilindro linear As dimensões de um cilindro são fornecidas pelo fabricante de maneira a permitir a escolha do mais adequado para cada projeto. A estrutura geral de um êmbolo pode ser vista na imagem a seguir: Estrutura simplificada de um cilindro linear. Atenção Vale destacar que as áreas de atuação serão diferentes durante o avanço e o recuo do cilindro, tendo em vista a existência da haste e, por esse motivo, as forças de avanço e de recuo serão distintas. Em geral, quando se adquire um cilindro, o fabricante fornece em seu manual as dimensões do atuador, como pode ser visto na imagem a seguir: Dimensões de um cilindro linear. Em que: é o diâmetro do êmbolo e é o diâmetro da haste. Saiba mais A maioria dos fabricantes fornece esses dados utilizando as unidades de medida do sistema métrico, com os diâmetros e comprimentos em milímetros. Contudo, alguns atuadores importados (principalmente da Inglaterra e dos Estados Unidos) fornecem esses dados em polegadas. Força de avanço do cilindro A área de atuação do fluido, durante o movimento de avanço, é chamada de área de avanço e corresponde à área total do êmbolo. A área de avanço do cilindro, como pode ser visto na imagem a seguir, é uma circunferência completa: Área do êmbolo do cilindro – avanço. Em que: é a área do êmbolo; é o diâmetro da circunferência do êmbolo e . Ao ser pressurizada a câmara traseira do cilindro, o ar ou o óleo empurram o êmbolo para a frente fazendo a haste avançar, como na imagem a seguir: Força de avanço do cilindro. Sendo assim, a pressão exercida sobre o cilindro durante o avanço é definida por: Em que: é a pressão do ar comprimido em é a força do cilindro em é a área em . A força de avanço exercida sobre o êmbolo do cilindro é definida da seguinte maneira: Força de recuo do cilindro A área de atuação do fluido, durante o movimento de recuo, é chamada de área de recuo ou retorno, e corresponde à área total do êmbolo subtraída da área da seção reta do cilindro, ou seja, a área da coroa circular ao redor da haste. A área de recuo do cilindro pode ser vista na imagem a seguir: Área do êmbolo do cilindro – recuo. Em que: é a área do êmbolo. é o diâmetro da circunferência do êmbolo. Ao receber pressão, a câmara dianteira do cilindro, o ar ou o óleo empurram o êmbolo para realizar o movimento contrário ao do avanço, levando a haste a recuar, conforme pode ser visto na imagem a seguir. Força de avanço do cilindro. Sendo assim, a pressão exercida sobre o cilindro durante o avanço é definida por: A força de avanço exercida sobre o êmbolo do cilindro é definida da seguinte maneira: Velocidade de avanço Para determinar a velocidade de avanço da haste do cilindro, deve-se toar a vazão do fluido (ar ou óleo) fornecido pelo compressor ou pela bomba, e dividi-la pela área de avanço, como pode ser visto a seguir: Em que: é a velocidade de avanço do cilindro em é a vazão do fluido em Ipm e é a área do êmbolo na condição de avanço . Como a velocidade de avanço do cilindro é dada em , é necessário realizar a conversão da vazão da bomba de Ipm (litros por minuto) para milímetro cúbico por segundo. Como as áreas são fornecidas em , utiliza-se a constante 0,006 para essa conversão. Velocidade de recuo Para determinar a velocidade de recuo da haste do cilindro, deve-se dividir a vazão do fluido (ar ou óleo) fornecido pelo compressor ou pela bomba pela área de recuo, como pode ser visto a seguir: Em que: é a velocidade de recuo do cilindro em , é a vazão do fluido em e, é a área do êmbolo na condição de recuo . O mesmo fator de conversão é utilizado na determinação da velocidade de recuo. Características construtivas Os cilindros são construídos de acordo com as especificações necessárias para sua aplicação, apresentando características distintas para máquinas e processos diferentes. Assim, os cilindros podem ter parafusos, soldas ou anéis de trava. Entre os aspectos construtivos, destacamos: Tipos de fixação para os cilindros Tipo 1 Flange dianteira. Tipo 2 Flange traseira. Tipo 3 Cantoneira. Tipo 4 Articulação traseira fêmea. Tipo 5 Articulação traseira macho. Tipo 6 Munhão central. Elementos de vedação São utilizados para manter a pressão e impedir a perda de óleo. Eles podem ser do tipo: Anel tipo T Fabricado em borracha sintética e moldado em forma de T. Possui anéis de encosto para apoio em ambos os lados. Gaxeta tipo copo Suportam altas pressões e são apoiadas contra a superfície interna pelo próprio óleo. Anéis de segmento Utilizados principalmente em motores de combustão. Feitos em ferro fundido ou aço, oferecem menos atrito e desgaste. Tipos de ponta das hastes ou pontas do cilindro A ponta dos cilindros, fundamental para a realização de suas atividades no processo, podem ser do tipo: Tipo 1 Ponteira macho. Tipo 2 Ponteira fêmea. Tipo 3 Junta flutuante. Tipo 4 Rótulo. Verificando o aprendizado Questão 1 Um cilindro de atuação linear será utilizado em um sistema de prensagem pneumático. Esse cilindro possui um êmbolo com diâmetro igual a e será submetido a uma força de 100 kg . A pressão, em , de operação de avanço desse cilindro será igual a: A 1,27 B 78,54 C 100 D 0,127 E 12,7 A alternativa A está correta. Questão 2 Para um cilindro utilizado em um processo de estampagem, sabendo-se que a área de seção do cilindro é igual a e a vazão do ar comprimido é igual a , a velocidade de avanço do cilindro durante o processo de estampagem, em , será igual a: A 7,2 B 72 C 100 D 1 E 10 A alternativa E está correta. 2. Dimensionamento de sistemashidráulicos Posicionamento das bombas Características relevantes de sistemas hidráulicos Neste vídeo, o professor Raphael dos Santos, mestre em Engenharia Elétrica, fala sobre as características relevantes de sistemas hidráulicos. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Dentre os fatores que influenciam no funcionamento de um sistema hidráulico, podemos citar o peso do óleo, que varia em função das suas características, composição e viscosidade. Vale destacar o efeito que o peso do óleo pode causar na entrada de uma bomba. Para uma coluna de óleo com área da base de e altura de 1 dm , o peso do óleo produz uma pressão aproximada de . Nas condições normais de uso, o peso de um litro da maioria dos óleos hidráulicos é de aproximadamente , como pode ser visto na imagem a seguir: Coluna padrão de óleo com peso de 0,9 kg. Saiba mais Para determinar a pressão no fundo de uma coluna de óleo, é só multiplicar a altura da coluna, dada em decímetros, por . Posicionamento das bombas hidráulicas A pressão exercida pela coluna do fluido na entrada das bombas faz com que a posição da bomba em relação à entrada do tanque influencie no bombeamento do óleo. Quando o nível do óleo está acima da entrada da bomba, uma pressão positiva é produzida pela própria coluna do fluido, empurrando o óleo para dentro da bomba, como pode ser visto na imagem: Bomba localizada abaixo do nível do tanque. Exemplo Se a coluna de fluido formada entre o nível do óleo e a entrada da bomba tiver 30 decímetros de altura 01 D 45 1 01 D 45 Acom uma área da base de , a pressão na entrada da bomba será igual a: Como a coluna possui 30 de altura: Ou seja, a bomba será alimentada com uma pressão positiva de gerada pelo próprio peso da coluna de óleo. Por outro lado, quando o nível do óleo no reservatório está localizado abaixo da entrada da bomba, uma pressão negativa é gerada (condição de vácuo), produzindo uma sucção na tubulação. Isso fará com que a pressão atmosférica empurre o óleo para dentro da bomba, como pode ser visto na imagem a seguir: Bomba localizada acima do nível do tanque. Com a coluna de e área da base de , a pressão na entrada da bomba será igual a: Como a coluna possui de altura (utilizando-se a mesma referência do caso anterior): Essa pressão negativa agirá na superfície do óleo do reservatório, empurrando-o para dentro do tubo de sucção e alimentando a bomba. Alguns fluidos, como a água e os vários fluidos hidráulicos misturados com aditivos, são mais pesados do que o óleo mineral e, por esse motivo, requerem mais vácuo por metro de levantamento. É importante destacar que uma bomba é, geralmente, alimentada pelo diferencial de pressão do óleo entre a superfície do reservatório e sua entrada ou sucção. Normalmente, a superfície do óleo de um reservatório está submetida à pressão atmosférica ( ao nível do mar). Assim, quando a entrada da bomba está acima da superfície do óleo do reservatório, é necessária a produção de vácuo parcial, ou uma pressão negativa, para que haja fluxo de óleo do tanque para a bomba. Vale destacar que esse vácuo precisa superar a pressão formada pelo próprio peso da coluna de óleo a ser bombeada. Um exemplo claro é visto nas bombas de pistão. Como ilustrado na imagem a seguir, o movimento do pistão cria as condições necessárias para a sucção do óleo: Bomba tipo pistão – sucção. O movimento do pistão se afastando do cilindro produz um vácuo momentâneo na câmara de bombeamento, fazendo uma sucção do óleo do reservatório para dentro dela. Por outro lado, a movimentação do pistão na direção do cilindro empurra o óleo de dentro da câmara para o sistema hidráulico, fornecendo o óleo necessário para o funcionamento do circuito, como pode ser visto na imagem a seguir: Bomba tipo pistão – bombeamento. Esse é o mesmo princípio utilizado nos macacos hidráulicos, por exemplo. Vale destacar que esse vácuo produzido deve ser limitado. Os líquidos se vaporizam ao serem submetidos a um vácuo total, provocando o aparecimento de bolhas de ar dentro do óleo, podendo danificar as bombas e provocar cavitação. A vedação também é bastante importante nos sistemas hidráulicos, tendo em vista que as conexões mal vedadas podem permitir a entrada de ar atmosférico nas regiões de baixa pressão, provocando aeração. Associação de bombas Como já visto, a pressão consiste na aplicação de uma força sobre uma área: A Lei de ação e reação da Física ilustra que, ao aplicar-se uma força sobre uma superfície, ela reage e aplica uma contra força (força contrária), reagindo ao esforço aplicado. Do ponto de vista da hidráulica, a pressão resulta da resistência à passagem do fluido. Ou seja, toda vez que o fluxo do óleo sofre alguma resistência, sua pressão aumenta. A resistência ao fluxo do fluido pode ser ocasionada pela movimentação de um atuador (linear ou rotativo), ou devido a restrições, estrangulamentos, entre outros efeitos. Por exemplo, considere o sistema da imagem a seguir: Elevador hidráulico. 0 atuador é utilizado no deslocamento de uma carga. Suponha que a vazão da bomba seja de 10 litros por minuto, que o atuador deva erguer uma carga de 1000 kgf e o êmbolo tenha uma área de . Para erguer a carga de 1000 kgf com esse êmbolo ( ), será necessária uma pressão de: Caso haja um vazamento, mas a quantidade de fluido perdido seja inferior à vazão da bomba, a pressão ainda existirá (mesmo que menor) e a carga continuará a ser erguida, entretanto, de maneira mais lenta. Para evitar essa perda de velocidade ou força, em alguns casos, utilizamos associações de linhas de fluxo. Clique nas abas e saiba mais. Fluxo em paralelo Os líquidos, de maneira geral, buscam sempre o caminho de menor resistência. Sendo assim, caso haja múltiplos caminhos que um fluido possa percorrer, a totalidade ou a maior parte desse fluido percorrerá o caminho menos resistivo. Observe a imagem a seguir: Fluxo paralelo de fluidos – menor resistência. Na imagem anterior é possível observar que o fluxo tenderá a percorrer o caminho no qual a menor pressão de resistência ao fluxo é oferecida. Nesse caso, com uma pressão de o fluido consegue vencer a resistência à sua passagem. Entretanto, caso a passagem de menor resistência sofra algum tipo de aumento, como um bloqueio, por exemplo, o fluido escolherá um caminho alternativo, como pode ser observado na imagem a seguir: Fluxo em paralelo de fluidos – caminho alternativo. Sendo assim, caso haja um aumento na resistência de qualquer um dos caminhos, haverá uma compensação por algum dos caminhos paralelos. No caso de atuadores diferentes para cada uma das saídas, aquela que oferecer a menor resistência será a primeira a fluir (se deslocando mais rapidamente). Por esse motivo, em sistemas hidráulicos, quando é necessário que dois ou mais cilindros se movimentem de maneira simultânea, é necessário conectá-los mecanicamente. Fluxo em série Por outro lado, quando as linhas de fluxo são conectadas em série, as pressões exigidas em cada linha são somadas de maneira contínua, como pode ser visto na imagem a seguir: Fluxo em série de fluidos – caminho alternativo. Válvula de segurança O uso de válvulas de segurança é indicado para casos de aumento súbito ou demasiado da pressão. Por exemplo, caso a passagem de fluido visto na imagem anterior sofresse algum tipo de bloqueio ou restrição, a válvula de segurança ofereceria um caminho para o fluido, como pode ser visto na imagem a seguir: Válvula de segurança. Nessa situação, a válvula de segurança atuará para garantir a integridade do sistema, podendo promover a recirculação do fluido para o reservatório ou o descarte adequado. Força de trabalho A força de trabalho de um atuador tem uma dependência direta com a pressão hidráulica do sistema e com a área em que a força é aplicada. Relação entre força de trabalho e pressão hidráulica Como já visto, a relação entre as três grandezas é definida pela equação: Em que: é a pressão em é a força eme A é a área em . Sendo assim, para se calcular a força de um atuador, sabendo-se a pressão de trabalho e a área de atuação, basta manipular a equação: Relação entre força de trabalho e área de atuação De maneira similar, a determinação da área de atuação da pressão, em função da força aplicada, pode ser feita por meio da equação: Sendo assim, como a força e a pressão são diretamente proporcionais, ao dobrar-se a pressão do sistema hidráulico (por meio da regulagem da válvula de segurança), por exemplo de para , aumenta-se a força do sistema em duas vezes, como podemos ver a seguir: Com o dobro de pressão: Da mesma maneira, a força e a área são diretamente proporcionais. Se o pistão utilizado tiver uma área duas vezes maior, a força do pistão será dobrada, como pode ser visto a seguir: Com o dobro da área: Dessa forma, é possível observar que o aumento da área ou o aumento da pressão permitem que a força aplicada pelo atuador seja ampliada. Dimensionamento da tubulação de um sistema hidráulico A vazão e a velocidade do fluxo de um fluido em um sistema hidráulico permitem a determinação das dimensões da tubulação utilizada no sistema. A área interna do tubo pode ser determinada de acordo com a equação: Em que é a área interna do tubo em é a vazão da bomba em litros por minuto ( l pm ) e é a velocidade do fluxo hidráulico em . Saiba mais Os fabricantes de materiais e tubos hidráulicos disponibilizam tabelas monográficas para a determinação das dimensões da tubulação hidráulica em função da vazão da bomba e da velocidade do fluido. Atuadores giratórios e rotativos A determinação dos parâmetros e características de atuadores lineares, como definida anteriormente, é de grande importância. Contudo, cabe ressaltar que os parâmetros referentes aos atuadores giratórios e rotativos também são fundamentais para o dimensionamento de sistemas pneumáticos e hidráulicos. Esses atuadores, conhecidos como motores hidráulicos, também convertem a energia hidráulica em energia mecânica. Diferentemente dos atuadores lineares, por sua vez, eles produzem movimentos de rotação contínua ou circular com ângulo de giro limitado. As características construtivas dos motores hidráulicos são similares às das bombas. Na prática, os funcionamentos de motores e bombas são inversos. No motor hidráulico, o óleo é injetado sob pressão em uma das entradas. O fluido aciona o conjunto rotativo, promovendo a rotação do motor, e sai pela outra entrada. A especificação do motor mais adequado para uma aplicação hidráulica depende do torque necessário, da velocidade de rotação das máquinas ou equipamentos (rotações por minuto – rpm), do trabalho necessário, da potência e da energia. Clique nas abas a seguir e saiba mais. Torque Em um equipamento rotativo, o torque é uma grandeza fundamental para sua correta especificação. É a força de torção do eixo do motor a uma dada pressão de operação. O torque, ou momento torçor, é dado em quilogrâmetro : Em que: é o torque ou momento torçor ( kgm ). é a força necessária ou carga demandada em quilograma-força ( ). é a distância de aplicação da força ao eixo. No caso dos motores hidráulicos, é definida pelo raio do motor e dada em metros . Torque do motor. A determinação do torque dos motores hidráulicos é calculada a partir do valor torque nominal fornecido pelo fabricante, e reflete o torque nominal desenvolvido para cada unidade de pressão ajustado pelo sistema hidráulico ( kgm a cada ). • • • Torque Torque Pressão Rotação A unidade de medida do deslocamento de um motor hidráulico é expressa em por rotação . Dessa forma, sabendo-se o deslocamento do motor hidráulico (dado fornecido pelo fabricante) e a vazão da bomba hidráulica do sistema, determina-se a rotação do eixo pela equação: Em que: são as rotações por minuto do eixo de saída do motor hidráulico, é a vazão da bomba em litros por minuto ( ), é o deslocamento do motor hidráulico em e, 1000 é um fator de conversão. Potência É o trabalho realizado em uma unidade de tempo: Em que: é a potência em quilogrâmetros por segundo . é a força em quilograma-força ( ). é a distância em metros . é o tempo em segundos. A unidade padrão de potência é o cavalo-vapor (CV), que equivale a levantar 75kgf a um metro de altura em um segundo. Potência em um sistema hidráulico Em um sistema hidráulico, a velocidade e a distância percorrida por um atuador dependem da vazão da bomba. Já a força depende da pressão. Sendo assim, a potência hidráulica pode ser expressa por: • • • • • Em que: é a potência hidráulica em . é a vazão da bomba em . é a pressão de operação em . 0,0022 é o fator de conversão entre as unidades. Na prática, considerando-se as perdas relativas ao atrito e outros fatores dos sistemas hidráulicos, os motores apresentam um rendimento de aproximadamente 85%, sendo corrigidos pela equação: Em que: é a potência hidráulica em . é a vazão da bomba em . é a pressão de operação em . 725 é o fator de conversão das perdas. Dimensionamento do reservatório Como regra geral, um reservatório deve ser grande o suficiente para conter, em volume, de duas a três vezes a quantidade de óleo que a bomba precisa enviar ao sistema hidráulico. Sendo assim: • • • • Torque do motor • • • • Em que é a vazão da bomba em litros por minutos ( ). Deve-se ter cuidado quanto ao dimensionamento do tanque, visto que um reservatório maior terá melhores condições para amortecimento e, consequentemente, redução da turbulência do óleo, retenção de impurezas e eliminação de bolhas de ar. Contudo, o preenchimento de um reservatório de maiores dimensões demandará mais fluido hidráulico. Verificando o aprendizado Questão 1 Um reservatório para armazenamento de óleo para suprimento de um sistema hidráulico possui uma área de base de 1dm2 e uma altura de 20dm. Sabendo-se que uma bomba será instalada na base desse tanque para bombeamento do óleo para o sistema, a pressão na base desse tanque (pressão no fundo da coluna), em , será igual a: A 0,09 B 0,27 C 0,045 D 0,18 E 0,36 A alternativa D está correta. A pressão no fundo de uma coluna de óleo com volume igual a , sendo a área igual a e altura de 1 dm é igual a . Volume ou Sendo assim, para uma coluna de 20 dm , com uma área . . Logo, a coluna de óleo apresentará uma pressão na base igual a . Questão 2 Considerando o sistema com alinhamento de fluxos de pressão em série, da figura a seguir, sabendo-se que as válvulas não estão obstruídas e que não há perdas de carga consideráveis, a pressão no ponto , em, , é igual a: A 2 B 6 C 4 D 12 E 10 A alternativa B está correta. A pressão nas linhas de fluxo ligadas em série é definida pelo somatório das pressões de cada linha, tendo em vista que, para que o bombeamento de óleo ocorra, é necessário que a pressão total seja vencida. Sendo assim, somando-se as pressões de cada linha até o ponto P, obtém-se: 3. Desenvolvimento de projetos pneumáticos e hidráulicos Documentação de projetos de sistemas pneumáticos e hidráulicos Documentos pertinentes a projetos pneumáticos e hidráulicos Neste vídeo, o professor Raphael dos Santos, mestre em Engenharia Elétrica, fala sobre documentos pertinentes a projetos pneumáticos e hidráulicos. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Em linhas gerais, os documentos pertinentes aos projetos de sistemas pneumáticos e hidráulicos não diferem muito daqueles que qualquer projeto precisa apresentar. Nas áreas técnicas, são reunidos em um documento principal que recebe o nome de Memorial Descritivo, ou As Built (“Como Construído”, em sua tradução literal). Esse memorial traz todas as informações pertinentes ao projeto com suas respectivas representações técnicas. Em uma instalação industrial, o memorial descritivo traria as informações referentes às partes: As Built arquitetônico Com o levantamento total da construção(interna e externa), todas as medidas, dimensões e cálculos detalhados. As Built elétrico Com todas as informações referentes aos circuitos elétricos (de acionamento, atuação e proteção), cálculo da bitola dos fios e dimensionamento de disjuntores e fusíveis de proteção. As Built pneumático Contendo os cálculos utilizados na determinação de todos os elementos dos sistemas pneumáticos, entre tubos de distribuição, compressores, respiradores, filtros, desumidificadores, atuadores etc. As Built hidráulico Com as informações referentes aos sistemas hidráulicos, cálculos das mangueiras e tubos de óleo, atuadores, bombas, motores, entre outros. Dentro dessa documentação, além da apresentação dos cálculos necessários ao correto dimensionamento, os devidos diagramas, plantas e layouts são fundamentais para possibilitar a reprodução, reconstrução, modificação ou manutenção daquele sistema com a máxima segurança. Recomendações para a confecção de um projeto pneumático ou hidráulico Alguns passos são considerados importantes na elaboração de um sistema pneumático ou hidráulico, tais como: Determinação da sequência de trabalho: feita a partir da identificação do problema e da “ilustração” de uma possível solução; Elaboração de um diagrama inicial: um esboço do sistema a ser implementado pode auxiliar na identificação das partes que compõem o sistema; Identificação dos elementos de controle: nessa etapa são identificados os elementos responsáveis pelo controle (de vazão, pressão ou direcionamento) do sistema; Identificação das linhas de fluxo, distinguindo-se: sinais de controle, alimentação (energia), retorno etc.; Verificação das condições marginais: avaliação da necessidade de sistemas de segurança e intertravamento; Diagramação do sistema: desenvolvimento de um diagrama com os símbolos adequados e dentro das normas. Atenção Esses passos permitem a determinação da pressão de trabalho do ar comprimido ou da vazão de fluido hidráulico. Daí é possível dimensionar os sistemas de distribuição (conexões, diâmetros de tubulações, pressões máximas permitidas, drenos, entre outros). Da elaboração do projeto inicial determinam-se os pontos de trabalho (pontos de distribuição de ar ou óleo) e os pontos de retorno (escoamento do óleo de volta para o reservatório ou descarte do ar comprimido com segurança). Nos projetos são identificados os possíveis pontos de perda de carga, ou seja, perda de pressão, o que pode dificultar ou inviabilizar a chegada do ar comprimido (ou do fluido hidráulico) com a devida pressão em um determinado ponto de trabalho. • • • • • • Nos projetos também são delimitadas as áreas de acesso, fundamentais para a segurança operacional. Nessa parte são delimitadas as áreas de circulação, impedindo que operadores se exponham a condições de risco à saúde ou provoquem danos aos equipamentos, bem como se aproximem de áreas possivelmente inflamáveis, com a exposição de fluido hidráulico combustível. Nos projetos também são identificados os sistemas de segurança que permitem a interrupção do suprimento de ar comprimido ou de fluido hidráulico em caso de vazamentos ou de situações operacionais indesejáveis. Normas, diretrizes e simbologia dos sistemas hidráulicos e pneumáticos A padronização dos diagramas esquemáticos de circuitos pneumáticos e hidráulicos é fundamental para que a implementação, manipulação, e manutenção desses sistemas seja feita de maneira adequada. Para isso, normas, diretrizes e símbolos foram criados. Entre as normas utilizadas, podemos destacar as que estão logo a seguir. Clique nas abas e conheça cada uma delas: As normas ISO (International Organization for Standardization) 1219-1: Fluid power systems and components – Graphic symbols and circuit diagrams – Part 1: Graphic symbols; 1219-2: Fluid power systems and components – Graphic symbols and circuit diagrams – Part 2: Circuit diagrams; 1929: Abrasive belts — Designation, dimensions and tolerances. • • • A norma DIN (German Institute for Standardization) 40713: Graphical Symbols - Switchgears, Operating Mechanisms;• As normas ABNT NBR (Associação Brasileira de Normas Técnicas) ABNT NBR 8896/1985 - Símbolos gráficos para sistemas e componentes hidráulicos e pneumáticos - Símbolos básicos e funcionais – Simbologia; ABNT NBR 8897/1985 - Símbolos gráficos para sistemas e componentes hidráulicos e pneumáticos - Transformações de energia – Simbologia; ABNT NBR 6150/2021 - Sistemas pneumáticos - Engate rápido cilíndrico para pressão de trabalho máxima de 1 MPa,1,6 MPa e 2,5 MPa (10 bar, 16 bar e 25 bar) - Dimensões do engate rápido macho, especificações, orientações de aplicação e testes; ABNT NBR 19973-1/2012 - Sistemas pneumáticos — Determinação da confiança nos componentes por meio de ensaios Parte 1: Procedimentos gerais; ABNT NBR 19973-2/2012 - Sistemas pneumáticos — Determinação da confiança nos componentes por meio de ensaios Parte 2: Válvulas de controle direcionais; ABNT NBR 10099/2011 - Sistemas pneumáticos – Cilindros – Exame final e critérios de aceitação; ABNT NBR 14743/2009 - Sistema pneumático de transmissão de potência — Conexões tipo instantâneas para tubos termoplásticos; ABNT NBR 224/2003 - Conjunto pneumático – Terminologia; ABNT NBR 12515/1992 - Símbolos gráficos para sistemas e componentes de freios hidráulicos e pneumáticos - Simbologia; ABNT NBR 12602/1992 - Cilindros pneumáticos de haste simples com montagem removível, série 1100 kPa (10bar) - Diâmetros de êmbolo de 32 mm a 320 mm - Dimensões de montagem - Padronização; ABNT NBR 10140/1987 - Sistemas hidráulicos e pneumáticos - Pressões nominais - Padronização; ABNT NBR 8898/1985 - Símbolos gráficos para sistemas e componentes hidráulicos e pneumáticos - Distribuição e regulagem da energia – Simbologia; ABNT NBR 10100/2014 - Sistemas de fluidos hidráulicos - Cilindros - Ensaios de aceitação; ABNT NBR 14712/2013 - Elevadores elétricos e hidráulicos — Elevadores de carga, monta- cargas e elevadores de maca — Requisitos de segurança para construção e instalação; ABNT NBR 5501/2010 - Filtros para óleo lubrificante ou hidráulico — Cura do elemento filtrante de papel — Método de ensaio; ABNT NBR 7321/1995- Filtro do óleo hidráulico - Determinação da queda de pressão em função das características de fluxo. • • • • • • • • • • • • • • • • Saiba mais É possível observar que as normas são fundamentais não apenas no desenvolvimento da documentação pertinente aos projetos pneumáticos e hidráulicos, mas também para as especificações dos componentes dos projetos e na determinação das características e métodos de ensaio utilizados para aceitação das instalações. Seguir a orientação oferecida pelas normas técnicas, além de obrigatório, é uma questão de bom senso, tendo em vista que as normas são elaboradas por organismos credenciados e fornecem regras, diretrizes e características essenciais para a obtenção do melhor desempenho dos sistemas desenvolvidos. Diagramas esquemáticos dos circuitos pneumáticos e hidráulicos As normas são fundamentais para a elaboração dos diagramas esquemáticos dos circuitos pneumáticos e hidráulicos. São elas que definem as diferentes simbologias utilizadas para facilitar a visualização e o entendimento dos circuitos pneumáticos e hidráulicos. As normas são utilizadas pelos projetistas, instaladores e equipes de manutenção. Embora os símbolos sejam indicados para a elaboração de diagramas mais ilustrativos e permitam uma melhor compreensão deles, a representação dos sistemas também pode ser feita de maneira simplificada por meio de diagramas em blocos. Símbolos gráficos para sistemas e componentes hidráulicos e pneumáticos Símbolos básicos são utilizados na representação de sistemas pneumáticos e hidráulicos. Veja a seguir as ilustrações dos tipos de ligações, trajetórias de fluxo e funções de componentes, bem como instrumentos de medição desses sistemas. Componente e Simbologia Duto principal ou tubulação ou linhade trabalho. Componente e Simbologia Linha de comando. Componente e Simbologia Duto flexível. Componente e Simbologia Conector. Componente e Simbologia Indicador de direção de fluxo. Componente e Simbologia Cruzamento. Componente e Simbologia Junção. Componente e Simbologia Plugue. Componente e Simbologia Engate rápido com abertura mecânica. Componente e Simbologia Manômetro. Componente e Simbologia Termômetro. Componente e Simbologia Rotâmetro. Atenção Vale destacar que os símbolos gráficos não compõem os diagramas esquemáticos para indicar posições de equipamentos ou valores de trabalho (pressão, vazão etc.). Esses detalhes são especificados no layout do projeto. Símbolos gráficos para sistemas e componentes pneumáticos De maneira simplificada, os sistemas pneumáticos podem ser distribuídos em etapas, tais como: produção; preparação e distribuição de ar comprimido. Cada sistema possui uma simbologia específica e fundamental para sua correta representação. Elementos de produção e rede de distribuição de ar comprimido A estrutura básica dos sistemas de produção e distribuição de ar comprimido é formada por: compressor; motor; reservatório de ar; purgador com dreno; filtro; resfriador intermediário; secador; resfriador posterior e válvula de fechamento. Veja a seguir os símbolos utilizados nos sistemas de produção e distribuição de ar comprimido. Componente e Símbolo Compressor de deslocamento fixo. Componente e Símbolo Motor. Componente e Símbolo Reservatório de ar comprimido. Componente e Símbolo Purgador com dreno manual. Componente e Símbolo Filtro de ar. Componente e Símbolo Resfriador. Componente e Símbolo Secador de ar. Componente e Símbolo Válvula de fechamento. Unidade de condicionamento de ar comprimido Como já estudado, o ar comprimido precisa ser devidamente tratado (condicionado) para ser utilizado nos sistemas pneumáticos. O condicionamento do ar comprimido é feito por meio de componentes como filtros de ar; válvulas reguladoras de pressão e sistemas de lubrificação. Os símbolos utilizados na representação dos sistemas de condicionamento podem ser vistos a seguir: Componente e Símbolo Filtro de ar. Componente e Símbolo Válvula reguladora de pressão com alívio (escape). Componente e Símbolo Lubrificador. Elementos atuadores dos sistemas pneumáticos Os elementos atuadores lineares ou rotativos (giratórios) também possuem símbolos específicos para sua representação diagramática. Veja os símbolos empregados na representação dos atuadores. Componente e símbolo Cilindro simples com retorno por mola* Componente e símbolo Cilindro de dupla ação* Componente e símbolo Cilindro telescópico* Componente e símbolo Motor pneumático Componente e símbolo Oscilador Símbolos gráficos para sistemas e componentes hidráulicos De maneira similar aos sistemas pneumáticos, os sistemas hidráulicos também são divididos em sistema de conversão primária; sistema de comando e controle, e sistema de aplicação de energia. Sistema de conversão primária Os sistemas primários são constituídos, essencialmente, por reservatórios, filtros, bombas, motores, acumuladores hidráulicos, intensificadores de pressão, entre outros. Veja a seguir a ilustração dos sistemas de conversão primária utilizados nos sistemas hidráulicos. Componente e Símbolo Reservatório de óleo. Componente e Símbolo Filtro de óleo. Componente e Símbolo Bomba simples. Componente e Símbolo Motor. Componente e Símbolo Acumulador hidráulico. Componente e Símbolo Intensificador de pressão. Sistema de comando e controle Os componentes de comando e controle são formados por válvulas controladoras de vazão, de pressão e direcionais. A Tabela 8 ilustra a simbologia utilizada na representação dos elementos de controle e comando dos sistemas hidráulicos. Componente e Símbolo Válvula controladora de vazão. Componente e Símbolo Válvula controladora de pressão. Componente e Símbolo Válvula de bloqueio. Componente e Símbolo Válvula direcional (3/2). Elementos atuadores dos sistemas hidráulicos Os atuadores hidráulicos (lineares e rotativos) apresentam uma simbologia análoga a dos sistemas pneumáticos. Veja a seguir a ilustração dos símbolos utilizados nos atuadores dos sistemas hidráulicos. Componente e Símbolo Esse símbolo é aplicável a sistemas pneumáticos e hidráulicos Cilindro simples com avanço por mola Componente e Símbolo Esse símbolo é aplicável a sistemas pneumáticos e hidráulicos Cilindro de dupla ação com haste dupla Componente e Símbolo Motores hidráulicos. Componente e Símbolo Oscilador hidráulico. Código de cores ANSI O American National Standart Institute (ANSI) definiu os padrões de cores para sistemas pneumáticos e hidráulicos. Esse padrão é adotado internacionalmente e serve como referência para a correta identificação dos propósitos e funções de cada linha de fluxo presente em um sistema. Veja a seguir o padrão de cores e as respectivas finalidades das linhas de fluxo. Funcionalidade e código de cores Identifica linhas de pressão de alimentação ou da pressão normal do sistema. Funcionalidade e código de cores Identifica linhas de transformação de energia intensificada (passagem de um sistema de baixa pressão para alta). Funcionalidade e código de cores Identifica as linhas de comando, pilotagem ou condições de pressão básica reduzida. Funcionalidade e código de cores Identifica linhas com restrições de controle de fluxo (redução na passagem de ar). Funcionalidade e código de cores Representa as linhas de escape de ar comprimido, descarga ou retorno para o tanque. Funcionalidade e código de cores Identifica linhas inativas ou de armazenamento. Funcionalidade e código de cores Identifica as linhas de sucção ou de drenagem. Verificando o aprendizado Questão 1 A padronização de diagramas esquemáticos de sistemas pneumáticos e hidráulicos, por meio de normas, diretrizes e símbolos, é fundamental para a implementação de projetos. Dentre os símbolos utilizados na representação de sistemas hidráulicos, o sistema representado pelo símbolo a seguir tem a função de: A Converter energia mecânica em energia elétrica. B Converter energia hidráulica de pressão em energia elétrica. C Converter energia hidráulica de pressão em energia mecânica. D Converter energia elétrica em energia hidráulica de pressão. E Conversão de energia mecânica em energia hidráulica. A alternativa E está correta. O símbolo apresentado identifica uma bomba simples, responsável pelo bombeamento do fluido hidráulico sob pressão para o sistema. Questão 2 Entre os componentes que formam os sistemas de produção de ar comprimido, várias etapas são necessárias para que o ar seja fornecido ao sistema com qualidade suficiente para garantir a operacionalidade dos equipamentos. O componente do sistema de produção representado pelo símbolo da figura a seguir tem a função de: A lubrificar o ar que passa por ele. B filtrar o ar comprimido que passa por ele. C comprimir o ar puxado por ele. D armazenar energia mecânica. E armazenar energia pneumática. A alternativa C está correta. O símbolo apresentado identifica um compressor de deslocamento fixo, responsável por comprimir o ar sugado pela sua entrada e comprimi-lo de maneira que possa ser armazenado em um reservatório e, posteriormente, utilizado. 4. Conclusão Considerações finais Nesse conteúdo apresentamos as características dos sistemas pneumático e hidráulico, bem como as informações fundamentais para sua correta especificação. Os principais atuadores pneumáticos foram apresentados e suas características e aplicações foram discutidas. Vimos os elementos de controle e acionamento dos sistemas pneumáticos e suas aplicações em circuitos. Por fim, estudamos as normas e recomendações fundamentais para a elaboração de um projeto pneumático ou hidráulico. Os principais símbolos utilizados na representação das partes que compõem esses sistemas foram exibidos, bem como o padrão de cores definido para sua representação gráfica. PodcastConfira o conteúdo preparado especialmente para enriquecer o seu conhecimento. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para ouvir o áudio. Explore + Para saber mais sobre as normas técnicas abrangentes no Brasil, consulte o site da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). Lá, você será capaz de encontrar todas as normas técnicas vigentes em território nacional. Alguns países possuem suas próprias normas técnicas, entretanto, é bastante comum as normas serem derivadas de normas europeias ou norte-americanas, como é o caso de muitas normas ABNT. Para normas desenvolvidas nos Estados Unidos, você pode consultar o site da American National Standards Institute (ANSI). No caso de normas aplicáveis em países europeus, uma alternativa é o site do European Committee for Standardization (CEN). Referências ASSOCIAÇÃO AMERICANA DE ENGENHEIROS MECÂNICOS. A13.1: Scheme for the identification of piping systems. Nova York: American Society of Mechanical Engineers, 2007. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 8896 - Sistemas e componentes hidráulicos e pneumáticos – Símbolos gráficos e diagramas de circuitos. 1985. Consultado na internet em: 20 out. 2021. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 8896:1985 (ISO 1219) - Apostila Tecnologia Hidráulica Industrial - Simbologia dos Componentes - M2001-2 BR. Consultado na internet em: 20 out. 2021. BOLLMNN, A. Fundamentos de Automação Industrial Pneutrônica. São Paulo: ABHP, 1997. GOMES, M. R. et al. Apostila de hidráulica. Santo Amaro, BA: Centro Federal de Educação Tecnológica da Bahia, p. 11-28, 2008. Consultado na internet em: 20 out. 2021. MANNESMANN, R. Hidráulica - Princípios básicos e componentes da tecnologia dos fluidos. Treinamento Hidráulico, v. 1. São Paulo: ABHP, 1991. MANNESMANN, R. Tecnologia das válvulas proporcionais e servoválvulas. Treinamento Hidráulico, v. 2. São Paulo: ABHP, 1991. MÉNDEZ, M. V. Elementos de hidráulica de canales. Caracas: Universidad Catolica Andres, 2001. NETTO, A.; FERNÁNDEZ, M. Manual de hidráulica. São Paulo: Blucher, 2018. PARKER. Tecnologia Hidráulica Industrial. Apostila M2001-2 BR. Parker Training, 2000. Consultado na internet em: 20 out. 2021. PARKER. Tecnologia Hidráulica Industrial. Apresentação M2001-2 BR. Parker Training, 2000. Consultado na internet em: 20 out. 2021. PARKER. Tecnologia Eletropneumática Industrial. Consultado na internet em: 20 out. 2021. PARKER. Linha Pneumática. Consultado na internet em: 20 out. 2021. PARKER. Tecnologia Pneumática Industrial. Apostila M1001 BR. Parker Training, 2000. Consultado na internet em: 20 out. 2021. PARKER. Tecnologia Pneumática Industrial. Apresentação M1001-1 BR. Parker Training, 2000. Consultado na internet em: 20 out. 2021. PARKER. Tecnologia Pneumática Industrial. Apostila M1001-2 BR. Parker Training, 2000. Consultado na internet em: 20 out. 2021. PARKER. Cilindros Pneumáticos. Catálogo M1001-3 BR. Cilindros, 2000. Consultado na internet em: 20 out. 2021. PARKER. Cilindros Pneumáticos. Catálogo M1001-6 BR. Cilindros, 2000. Consultado na internet em: 20 out. 2021. Projetos de sistemas fluido-mecânicos 1. Itens iniciais Propósito Objetivos Projetos de sistemas pneumáticos e hidráulicos Conteúdo interativo 1. Dimensionamento de sistemas pneumáticos Dimensionamento dos cilindros dos sistemas pneumáticos Características construtivas de sistemas pneumáticos Conteúdo interativo Atuadores lineares As forças de avanço e de recuo de um atuador do tipo cilindro linear são influenciadas diretamente pela pressão da operação dos sistemas, bem como pelas dimensões das áreas de atuação dos cilindros durante seu movimento. Saiba mais Parâmetros de um atuador do tipo cilindro linear As dimensões de um cilindro são fornecidas pelo fabricante de maneira a permitir a escolha do mais adequado para cada projeto. Atenção Saiba mais Força de avanço do cilindro A área de atuação do fluido, durante o movimento de avanço, é chamada de área de avanço e corresponde à área total do êmbolo. Força de recuo do cilindro A área de atuação do fluido, durante o movimento de recuo, é chamada de área de recuo ou retorno, e corresponde à área total do êmbolo subtraída da área da seção reta do cilindro, ou seja, a área da coroa circular ao redor da haste. Velocidade de avanço Velocidade de recuo Características construtivas Os cilindros são construídos de acordo com as especificações necessárias para sua aplicação, apresentando características distintas para máquinas e processos diferentes. Assim, os cilindros podem ter parafusos, soldas ou anéis de trava. Tipos de fixação para os cilindros Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4 Tipo 5 Tipo 6 Elementos de vedação Anel tipo T Gaxeta tipo copo Anéis de segmento Tipos de ponta das hastes ou pontas do cilindro Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4 Verificando o aprendizado 2. Dimensionamento de sistemas hidráulicos Posicionamento das bombas Características relevantes de sistemas hidráulicos Conteúdo interativo Dentre os fatores que influenciam no funcionamento de um sistema hidráulico, podemos citar o peso do óleo, que varia em função das suas características, composição e viscosidade. Saiba mais Posicionamento das bombas hidráulicas A pressão exercida pela coluna do fluido na entrada das bombas faz com que a posição da bomba em relação à entrada do tanque influencie no bombeamento do óleo. Exemplo Essa pressão negativa agirá na superfície do óleo do reservatório, empurrando-o para dentro do tubo de sucção e alimentando a bomba. É importante destacar que uma bomba é, geralmente, alimentada pelo diferencial de pressão do óleo entre a superfície do reservatório e sua entrada ou sucção. Vale destacar que esse vácuo precisa superar a pressão formada pelo próprio peso da coluna de óleo a ser bombeada. Um exemplo claro é visto nas bombas de pistão. Como ilustrado na imagem a seguir, o movimento do pistão cria as condições necessárias para a sucção do óleo: Esse é o mesmo princípio utilizado nos macacos hidráulicos, por exemplo. Vale destacar que esse vácuo produzido deve ser limitado. Associação de bombas A Lei de ação e reação da Física ilustra que, ao aplicar-se uma força sobre uma superfície, ela reage e aplica uma contra força (força contrária), reagindo ao esforço aplicado. Fluxo em paralelo Fluxo em série Válvula de segurança Força de trabalho Relação entre força de trabalho e pressão hidráulica Relação entre força de trabalho e área de atuação Dimensionamento da tubulação de um sistema hidráulico A vazão e a velocidade do fluxo de um fluido em um sistema hidráulico permitem a determinação das dimensões da tubulação utilizada no sistema. Saiba mais Atuadores giratórios e rotativos Esses atuadores, conhecidos como motores hidráulicos, também convertem a energia hidráulica em energia mecânica. Diferentemente dos atuadores lineares, por sua vez, eles produzem movimentos de rotação contínua ou circular com ângulo de giro limitado. Torque Rotação Potência Potência em um sistema hidráulico Dimensionamento do reservatório Verificando o aprendizado Um reservatório para armazenamento de óleo para suprimento de um sistema hidráulico possui uma área de base de 1dm2 e uma altura de 20dm. Sabendo-se que uma bomba será instalada na base desse tanque para bombeamento do óleo para o sistema, a pressão na base desse tanque (pressão no fundo da coluna), em , será igual a: Questão 2 3. Desenvolvimento de projetos pneumáticos e hidráulicos Documentação de projetos de sistemas pneumáticos e hidráulicos Documentos pertinentes a projetos pneumáticos e hidráulicos Conteúdo interativo As Built arquitetônico As Built elétrico As Built pneumático As Built hidráulico Recomendações para a confecção de um projeto pneumático ou hidráulico Atenção Nos projetos também são delimitadas as áreas de acesso, fundamentais para a segurança operacional. Nessa parte são delimitadas as áreas de circulação,impedindo que operadores se exponham a condições de risco à saúde ou provoquem danos aos equipamentos, bem como se aproximem de áreas possivelmente inflamáveis, com a exposição de fluido hidráulico combustível. Normas, diretrizes e simbologia dos sistemas hidráulicos e pneumáticos As normas ISO (International Organization for Standardization) A norma DIN (German Institute for Standardization) As normas ABNT NBR (Associação Brasileira de Normas Técnicas) Saiba mais Diagramas esquemáticos dos circuitos pneumáticos e hidráulicos As normas são fundamentais para a elaboração dos diagramas esquemáticos dos circuitos pneumáticos e hidráulicos. São elas que definem as diferentes simbologias utilizadas para facilitar a visualização e o entendimento dos circuitos pneumáticos e hidráulicos. As normas são utilizadas pelos projetistas, instaladores e equipes de manutenção. Símbolos gráficos para sistemas e componentes hidráulicos e pneumáticos Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Componente e Simbologia Atenção Símbolos gráficos para sistemas e componentes pneumáticos Elementos de produção e rede de distribuição de ar comprimido Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Unidade de condicionamento de ar comprimido Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Elementos atuadores dos sistemas pneumáticos Componente e símbolo Componente e símbolo Componente e símbolo Componente e símbolo Componente e símbolo Símbolos gráficos para sistemas e componentes hidráulicos Sistema de conversão primária Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Sistema de comando e controle Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Elementos atuadores dos sistemas hidráulicos Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Componente e Símbolo Código de cores ANSI Funcionalidade e código de cores Funcionalidade e código de cores Funcionalidade e código de cores Funcionalidade e código de cores Funcionalidade e código de cores Funcionalidade e código de cores Funcionalidade e código de cores Verificando o aprendizado Questão 1 Questão 2 4. Conclusão Considerações finais Podcast Conteúdo interativo Explore + Referências