SLIDES HIDRAULICA E PNEUMATICA 2015

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EletroPneumática
EletroHidráulica
Professor Luiz Henrique Domingues
EMENTA
	1. Eletropneumática:
1.1. Fundamentos físicos da pneumática:
1.1.1. Propriedades, produção, preparação e distribuição do ar comprimido,
1.1.2. Construção e função dos elementos de trabalho;
EMENTA
	1. Eletropneumática:
1.2. Elementos de comandos e sinais:
1.2.1. Válvulas direcionais,
1.2.2. Válvulas de bloqueio,
1.2.3. Válvulas de vazão,
1.2.4. Válvulas de pressão;
EMENTA
	1. Eletropneumática:
1.3. Simbologia:
1.3.1. Normas nacionais e internacionais;
EMENTA
	1. Eletropneumática:
1.4. Princípio da técnica de comando:
1.4.1. Construção e interpretação de circuitos pneumáticos,
1.4.2. Estrutura e função dos elementos eletropneumáticos,
1.4.3. Construção e interpretação de esquemas eletropneumáticos;
EMENTA
	1. Eletropneumática:
1.5. Montagens práticas.
EMENTA
2. Eletrohidráulica:
2.1. Fundamentos físicos da hidráulica;
2.2. Óleos hidráulicos
2.3. Grupo de acionamento
2.4. Bombas hidráulicas
2.4.1. Função e construção dos elementos hidráulicos;
EMENTA
2. Eletrohidráulica:
2.5. Simbologia
2.5.1. Normas nacionais e internacionais;
2.5.2. Estudo do controle da velocidade do cilindro, noções de cálculos sobre força, área e volume dos atuadores;
EMENTA
2. Eletrohidráulica:
2.6. Introdução à técnica de comandos
2.6.1. Estrutura e função dos elementos eletrohidráulicos;
2.6.2. Construção e interpretação de esquemas eletrohidráulicos;
EMENTA
2. Eletrohidráulica:
2.7. Montagens práticas.
Introdução
Como meio de racionalização do trabalho, o ar comprimido encontra, cada vez mais, campo de aplicação na indústria, assim como a água, a energia elétrica, etc.
Somente na segunda metade do século XIX é que o ar comprimido adquiriu importância industrial. No entanto, sua utilização é anterior a Da Vinci, que em diversos inventos dominou e usou o ar.
No Velho Testamento são encontradas referências ao emprego do ar comprimido: na fundição de prata, ferro, chumbo e estanho. 
Introdução
A história demonstra que há mais de 2000 anos os técnicos contruíram máquinas pneumáticas, produzindo energia pneumática por meio de um pistão. 
Como instrumento de trabalho utilizavam um cilindro de madeira dotado de êmbolo.
Os antigos aproveitavam ainda a força gerada pela dilatação do ar aquecido e a força produzida pelo vento.
Em Alexandria (Centro cultural vigoroso no mundo helênico), foram construídas as primeiras máquinas reais, no século III a.C.. Neste mesmo período, Ctesibios fundou a Escola de Mecânicos, também em Alexandria, tornando-se, portanto, o precursor da técnica para comprimir o ar. A escola de Mecânicos era especializada em Alta Mecânica, e eram construídas máquinas impulsionadas por ar comprimido.
Introdução
No século III d.C., um grego, Hero, escreveu um trabalho em dois volumes sobre as aplicações do ar comprimido e do vácuo.
Contudo, a falta de recursos materiais adequados, e mesmo incentivos, contribuiu para que a maior parte destas primeiras aplicações não fosse prática ou não pudesse ser convenientemente desenvolvida. 
A técnica era extremamente depreciada, a não ser que estivesse a serviço de reis e exércitos, para aprimoramento das máquinas de guerra. 
Como consequência, a maioria das informações perdeu-se por séculos.
Introdução
Durante um longo período, o desenvolvimento da energia pneumática sofreu paralisação, renascendo apenas nos séculos XVI e XVII, com as descobertas dos grandes pensadores e cientistas como Galileu, Otto Von Guericke, Robert Boyle, Bacon e outros, que passaram a observar as leis naturais sobre compressão e expansão dos gases.
Leibinz, Huyghens, Papin e Newcomem são considerados os pais da Física Experimental, sendo que os dois últimos consideravam a pressão atmosférica como uma força enorme contra o vácuo efetivo, o que era objeto das Ciências Naturais, Filosóficas e da Especulação Teológica desde Aristóteles até o final da época Escolástica.
Introdução
Encerrando esse período, encontra-se Evangelista Torricelli, o inventor do barômetro, um tubo de mercúrio para medir a pressão atmosférica. 
Com a invenção da máquina a vapor de Watts, tem início a era da máquina. 
No decorrer dos séculos, desenvolveram-se várias maneiras de aplicação do ar, com o aprimoramento da técnica e novas descobertas. 
Assim, foram surgindo os mais extraordinários conhecimentos físicos, bem como alguns instrumentos.
Um longo caminho foi percorrido, das máquinas impulsionadas por ar comprimido na Alexandria aos engenhos pneumo-eletrônicos de nossos dias.
Introdução
Portanto, o homem sempre tentou aprisionar esta força para colocá-la a seu serviço, com um único objetivo: controlá-la e fazê-la trabalhar quando necessário.
Atualmente, o controle do ar suplanta os melhores graus da eficiência, executando operações sem fadiga, economizando tempo, ferramentas e materiais, além de fornecer segurança ao trabalho.
O termo pneumática é derivado do grego Pneumos ou Pneuma (respiração, sopro) e é definido como a parte da Física que se ocupa da dinâmica e dos fenômenos físicos relacionados com os gases ou vácuos. 
É também o estudo da conservação da energia pneumática em energia mecânica, através dos respectivos elementos de trabalho.
Propriedades do ar
1. Compressibilidade: 
O ar tem a propriedade de ocupar todo o volume de qualquer recipiente, adquirindo seu formato, já que não tem forma própria. 
Assim podemos fechá-lo em um recipiente com volume determinado e posteriormente provocar-lhe uma redução de volume usando uma força exterior. 
Propriedades do ar
1. Compressibilidade: 
 
 Ar submetido a um Ar submetido a um 
 volume inicial volume inicial 
 V1 V2 F
 V2 < V1
Propriedades do ar
2. Elasticidade: 
Possibilita ao ar voltar ao seu volume inicial assim que instinto a força responsável pela redução.
Propriedades do ar
2. Elasticidade: 
 
 Ar submetido a um Ar submetido a um 
 volume inicial volume inicial 
 V1 V2 F
 V2 > V1
Propriedades do ar
3. Difusibilidade: 
Permite misturar-se homogeneamente com qualquer meio gasoso que não esteja saturado.
Volumes contendo
ar e gases; válvula fechada
Válvula aberta temos uma
mistura homogênea
Propriedades do ar
4. Expansibilidade: 
Ocupa totalmente o volume de qualquer recipiente, adquirindo seu formato.
Possuímos um recipiente contendo ar;
a válvula na situação 1 está fechada
Quando a válvula é aberta o ar expande,
assumindo o formato dos recipientes;
Propriedades do ar
5. Peso do ar: 
Como toda matéria o ar tem peso. Um litro de ar, a 0ºC e ao nível do mar, pesa 1,293 x 10-3 Kgf.
Ar Quente é Menos Denso que Ar Frio
Sistema de Medidas
Os sistemas de medidas usados na pneumática são: o internacional (SI) e o técnico.
Unidade de pressão nos sistemas
 Internacional Pa
 Técnico Kgf/cm²
 Inglês Psi ou lb/pol² (pound square inch)
Conversão:
1 kgf/cm2 = 1 bar (0,981 bar)
1 bar = 14,22psi
1 bar = 100 000Pa= 10Kpa
1atm= 14,70psi
Exercícios:
1. Converta:
150 bar = psi
300 psi = kgf/cm²
15 atm = psi
195 lb/pol² = bar
3,5 kgf/cm² = lb/pol²
35 lb/pol² = Kgf/cm²
Força, pressão e área
Força: É toda causa capaz de modificar o estado de movimento ou causar deformações. 
É uma grandeza vetorial, e para ser caracterizada devemos conhecer sua intensidade, sentido e direção.
Pressão: quando o ar ocupa um recipiente exerce sobre suas paredes uma força igual em todos os sentidos e direções.
Ao se chocarem as moléculas produzem um tipo de bombardeio sobre
essas paredes, gerando assim um pressão.
Vazão: quantidade de fluido que passa através de uma tubulação durante um determinado intervalo de tempo. 
(Q = V/ t).
Força, pressão e área
P= Pressão 
F= Força 
A= Área
Força = Pressão x Área
Pressão = Força / Área
Área = Força / Pressão
Exercícios:
1. Calcular a força utilizando uma pressão de 6 bar em uma área 5 cm2.
2. Calcule a área de um cilindro para uma pressão de 200 psi e uma força de 500 Kgf.
3. Calcular em mm2 para uma pressão de 250 lb/pol2 e uma força de 1 tonelada.
4. Calcular o diâmetro do cilindro para uma pressão de 6 bar, utilizando uma força de 500 Kgf.
Noções Básicas de Hidráulica
Hidráulica: 
Utiliza um líquido confinado (óleo/água) para transmitir movimento multiplicando forças. 
Para ganhar em força, perde-se em deslocamento.
Pelo fato de usar líquido praticamente
incompressível, a transmissão de movimentos é instantânea.
Noções Básicas de Hidráulica
Noções Básicas de Hidráulica
Lei de Paschal: 
Se aplicarmos uma força em uma área (rolha) em líquido confinado, o resultado será uma pressão igual em todas as direções.
Noções Básicas de Hidráulica
Noções Básicas de Hidráulica
Noções Básicas de Hidráulica
Noções Básicas de Hidráulica
Vantagens do acionamento hidráulico:
-Velocidade variável – através da válvula reguladora de fluxo;
- Reversibilidade – através da válvula direcional;
- Parada instantânea – através da válvula direcional;
- Proteção contra sobre carga – através da válvula de segurança ou limitadora de pressão;
- Dimensões reduzidas.
Fluido
É definido como sendo qualquer líquido ou gás. 
Entretanto, em hidráulica, refere-se ao líquido utilizado como meio de transmitir energia (óleo ou água).
Funções do fluido hidráulico:
- Transmitir energia;
- Lubrificar peças móveis;
- Vedar folga entre essas peças móveis;
- Resfriar ou dissipar calor;
- Limpar o sistema.
Principais fluidos hidráulicos:
- Água (com aditivo);
- Óleos minerais;
- Fluidos sintéticos;
- Fluidos resistentes ao fogo (emulsões de glicol em água, soluções de glicol em água e fluidos sintéticos não aquosos).
Viscosidade:
É a característica mais importante a ser observada na escolha de um fluido hidráulico. Pode ser definida como sendo a medida de resistência do fluido ao se escoar, ou seja, é a medida inversa à da fluidez. 
Se um fluido escoa com facilmente, sua viscosidade é baixa e pode-se dizer que o fluido é fino ou lhe falta corpo.
Um fluido que escoa com dificuldade tem alta viscosidade. 
Neste caso, diz-se que é grosso ou tem bastante corpo. 
Quanto maior for a temperatura de trabalho de um óleo, menor será sua viscosidade, ou seja, a viscosidade é inversamente proporcional à temperatura de trabalho.
Bomba Hidráulica
É utilizada nos circuitos hidráulicos para converter energia mecânica em energia hidráulica.
Ela é responsável em criar fluxo de fluido para o sistema. 
A bomba hidráulica não gera pressão. 
A pressão só criada quando houver restrição à passagem de fluxo.
Bomba Hidráulica
Esquema de uma instalação de bombeamento típica
Esquema de uma instalação de bombeamento típica
(1)Casa das Bombas (M) –Motor de acionamento; (B) –Bomba.
(2)Poço, manancial ou reservatório de sucção
(3)Linha de sucção (VPC) –Válvula de pé com crivo; (CL) –Curva longa de 90 ; (RE) –Redução excêntrica.
(4)Linha de recalque (VR) –Válvula de retenção; (R) –Registro; (C) –Curvas ou joelhos (ou cotovelos).
(5)Reservatório de recalque
Cavitação:
É a entrada de ar, pela tubulação de entrada de óleo para a bomba, para o sistema hidráulico. 
Pode ser provocada por filtro entupido ou até nível de óleo baixo no reservatório. 
A cavitação deixa o sistema trabalhando irregularmente e a bomba barulhenta.
Classificação das bombas:
Bombas hidrostáticas: são bombas de deslocamento positivo, que fornecem determinada quantidade de fluido a cada rotação ou ciclo. 
Como nas bombas hidrostáticas a saída do fluido independe da pressão, com exceção de perdas ou vazamentos, praticamente todas as bombas necessárias para transmitir força hidráulica em equipamentos industriais, em maquinaria de construção e em aviação, são do tipo hidrostática. 
Classificação das bombas:
Os tipos de bombas hidrostáticas mais comuns encontradas são: de engrenagens, de engrenagens internas, de lóbulo, tipo gerator, de palhetas balanceadas e não balanceadas, de pistão radial e axial.
Bomba de Engrenagens
Bomba de Rótulo
Bomba de Engrenagens Internas
Bomba de Gerator
Bombas de Engrenagens
Bombas hidrodinâmicas:
São bombas de deslocamento não positivo, usadas para transferir fluido e cuja única resistência é criada pelo peso do fluido e pelo atrito. 
Por isso, são raramente utilizadas em circuitos hidráulicos, pois quando aumenta a resistência à passagem de fluido, reduz o seu deslocamento.
Deslocamento:
É o volume de líquido transferido durante uma rotação da bomba e é equivalente ao volume de uma câmara, multiplicado pelo número de câmaras que passam pelo pórtico de saída da bomba durante uma rotação.
Bombas hidrodinâmicas:
Reservatório
Reservatório
Pressão:
Podemos definir como sendo a restrição à passagem do fluxo, ou ainda como a força exercida por unidade de superfície.
Pressão absoluta:
Pressão relativa:
Pressão atmosférica:
Pressão absoluta:
É a soma da pressão atmosférica mais a sobre pressão (aquela indicada pelo manômetro).
Pressão relativa:
Também chamada de sobre pressão (aquela indicada pelo manômetro), não está incluída a pressão atmosférica.
Pressão atmosférica:
É a pressão exercida por uma coluna de mercúrio (Hg) de 76cm de altura, a 0ºC de temperatura, ao nível do mar (barômetro de Torricelli).
Pressão atmosférica:
Unidades de pressão mais utilizadas nas indústrias:
atm, bar, kgf/cm² e PSI (Libras por polegada quadrada)
Para cálculo aproximado:
1atm = 1bar = 1kgf/cm² = 1kp/cm² = 14,7 PSI
Instrumentos indicadores:
Os instrumentos indicadores mais utilizados em hidráulica e também em pneumática são: manômetro, vacuômentro e o termômetro.
Manômetro:
instrumento utilizado para indicar pressão.
Vacuômetro:
instrumento utilizado para indicar vácuo (ausência total ou parcial de ar).
Termômetro:
instrumento utilizado para indicar temperatura.
Escoamento
As moléculas de um fluido que se movimentam em tubulações atritam-se umas às outras e com as paredes da tubulação, provocando perdas de forças.
Escoamento
A velocidade de fluxo recomendada no sistema óleo hidráulico podem ser:
Pressão bar
Velocidade m/s
Tubos de pressão
P < 50
4
50 < p < 100
4 – 5
100 < p < 200
5 – 6
P < 200
06/jul
Tubos de sucção
-0,3 < p 1,5
0,5 – 1,5
Tubos de retorno
2 < p 20
02/mar
Fluxo em série e em paralelo
Fluxo em paralelo Uma característica peculiar a todos os líquidos é o fato de que eles sempre procuram os caminhos que oferecem menor resistência. 
Assim, quando houver duas vias de fluxo em paralelo, cada qual com resistência diferente, a pressão só aumenta o necessário e o fluxo procura sempre a via mais fácil.
Fluxo em paralelo
Fluxo em paralelo
Fluxo em série
Conceitos e Princípios Básicos
Pneumática
	Provém da raiz grega “PNEUMA”, que significa fôlego, vento, sopro. Logo, pneumática é conceituada como sendo a matéria que trata dos movimentos e fenômenos dos gases 
Conceitos e Princípios Básicos
Pressão
	Em termos de Pneumática, define-se pressão como sendo a força exercida em função da compressão do ar em um recipiente, por unidade de área interna dele. Sua unidade no S.I. é dada em N/m² ou Pa (Pascal), embora seja comum ainda a utilização de unidades como (atm, bar, kgf/mm²,Psi, etc.). 
Conceitos e Princípios Básicos
Fluido
	É qualquer substância capaz de escoar e assumir a forma do recipiente que a contém,
(nesse caso o fluido em questão é o ar).
Implantação
Vantagens:
- Incremento da produção com investimento relativamente pequeno.
2) - Redução dos custos operacionais.
3) - Robustez dos componentes pneumáticos.
4) - Facilidade de implantação.
5) - Resistência a ambientes hostis.
6) - Simplicidade de manipulação.
7) - Segurança.
8) - Redução do número de acidentes.
Implantação
Vantagens:
- Incremento da produção com investimento relativamente pequeno.
2) - Redução dos custos operacionais, a rapidez nos movimentos pneumáticos e a libertação do operário (homem) de operações repetitiva possibilitam o aumento do ritmo de trabalho, aumento de produtividade e, portanto, um menor custo operacional.
Implantação
Vantagens:
3) - Robustez dos componentes pneumáticos, a robustez inerente aos controles pneumáticos torna-os relativamente insensíveis a vibrações e golpes, permitindo que ações mecânicas do próprio processo sirvam, de sinal para as diversas seqüências de operação; são de fácil manutenção.
Implantação
Vantagens:
4) - Facilidade de implantação, pequenas modificações nas máquinas convencionais, aliadas à disponibilidade de ar comprimido, são os requisitos necessários para implantaçãodos controles pneumáticos.
Implantação
Vantagens:
5) - Resistência a ambientes hostis, poeira, atmosfera corrosiva, oscilações de temperatura, umidade, submersão em líquidos raramente prejudicam os componentes pneumáticos, quando projetados para essa finalidade.
Implantação
Vantagens:
6) - Simplicidade de manipulação, os controles pneumáticos não necessitam de operários especializados para sua manipulação.
Implantação
Vantagens:
7) – Segurança, como os equipamentos pneumáticos envolvem sempre pressões moderadas, tornam-se seguros contra possíveis acidentes, quer no pessoal, quer no próprio equipamento, além de evitarem problemas de explosão.
Implantação
Vantagens:
8) - Redução do número de acidentes, a fadiga é um dos principais fatores que favorecem acidentes; a implantação de controles pneumáticos reduz sua incidência (liberação de operações repetitivas).
Implantação
Limitações:
- O ar comprimido necessita de uma boa preparação para realizar o trabalho proposto: remoção de impurezas, eliminação de umidade para evitar corrosão nos equipamentos, engates ou travamentos e maiores desgastes nas partes móveis do sistema.
Implantação
Limitações:
2) - Os componentes pneumáticos são normalmente projetados e utilizados a uma pressão máxima de 1723,6 kPa. 
Portanto, as forças envolvidas são pequenas se comparadas a outros sistemas. 
Assim, não é conveniente o uso de controles pneumáticos em operação de extrusão de metais.
Provavelmente, o seu uso é vantajoso para recolher ou transportar as barras extrudadas.
Implantação
Limitações:
3) - Velocidades muito baixas são difíceis de ser obtidas com o ar comprimido devido às suas propriedades físicas. 
Neste caso, recorre-se a sistemas mistos (hidráulicos e pneumáticos).
Implantação
Limitações:
4) - O ar é um fluido altamente compressível, portanto, é impossível se obterem paradas intermediárias e velocidades uniformes. 
O ar comprimido é um poluidor sonoro quando são efetuadas exaustões para a atmosfera. 
Esta poluição pode ser evitada com o uso de silenciadores nos orifícios de escape.
Características e Vantagens da Pneumática
Comparativamente à hidráulica, a pneumática é sem dúvida o elemento mais simples, de maior rendimento e de menor custo que pode ser utilizado na solução de muitos problemas de automatização. Fato este devido a uma série de características próprias de seu fluido de utilização, que no caso é o ar.
Vantagens da Pneumática
Quantidade
Transporte
Armazenagem
Temperatura
Segurança
Limpeza
Construção
Velocidade
Regulagem
Segurança contra Sobrecarga
Vantagens da Pneumática
Quantidade
	 O ar para ser comprimido existe em quantidades ilimitadas.
 Transporte
	O ar comprimido é transportado por meio de tubulações, não existindo para esse caso a necessidade de linhas de retorno, como é feito nos sistemas hidráulicos.
	
Vantagens da Pneumática
Armazenagem
	Em Pneumática o ar é comprimido por um compressor e armazenado em um reservatório, não sendo assim necessário que trabalhe continuamente, mas sim, somente, quando a pressão cair a um determinado valor mínimo ajustado em um pressostato.
Vantagens da Pneumática
Temperatura
	Diferentemente do óleo que tem sua viscosidade afetada pela variação da temperatura, o ar comprimido é insensível às oscilações desta, permitindo um funcionamento seguro, mesmo em condições extremas.
Vantagens da Pneumática
Segurança
	O ar comprimido não apresenta perigos de explosão ou incêndio, e mesmo que houvesse explosão por falha estrutural de um componente, tubulação, mangueira, ou mesmo do reservatório de ar comprimido, a pressão do ar utilizado em pneumática é relativamente baixa (6 a 12 bar), enquanto em hidráulica trabalha-se com pressões que chegam à ordem de 350 bar.
Vantagens da Pneumática
Limpeza
	Uma vez que o fluido de utilização é o ar comprimido, não há risco de poluição ambiental, mesmo ocorrendo eventuais vazamentos nos elementos mal vedados. Este fato torna a pneumática um sistema excelente e eficiente para aplicação na industria alimentícia e farmacêutica.
Vantagens da Pneumática
Construção
	Uma vez que as pressões de trabalho são relativamente baixas quando comparadas com a hidráulica, seus elementos de comando e ação são menos robustos e mais leves, podendo ser construídos em liga de alumínio, tornando seu custo relativamente menor, portanto mais vantajoso.
Vantagens da Pneumática
Velocidade
	É um meio de trabalho que permite alta velocidade de deslocamento, em condições normais entre 1 e 2m/s, podendo atingir 10m/s no caso de cilindros especiais e 500.000 rpm no caso de turbinas pneumáticas.
Vantagens da Pneumática
Regulagem
	Não possuem escala de regulagem, isto é, os elementos são regulados em velocidade e força, conforme a necessidade da aplicação, sendo da escala de zero ao máximo do elemento.
Vantagens da Pneumática
Segurança contra Sobrecarga
	Diferentemente dos sistemas puramente mecânicas ou eletroeletrônicos, os elementos pneumáticos podem ser solicitados, em carga, até parar, sem sofrer qualquer dano, voltando a funcionar normalmente tão logo cesse a resistência.
Desvantagens da Pneumática
Preparação
Compressibilidade
Força
Escape de Ar
Custos
Desvantagens da Pneumática
Preparação
	A fim de que o sistema possa ter um excelente rendimento, bem como uma prolongada vida útil de seus componentes, o ar comprimido requer uma boa preparação da qualidade do ar, isto é, isento de impurezas e umidade, o que é possível com a utilização de filtros e purgadores.
Desvantagens da Pneumática
Compressibilidade
	A compressibilidade é uma característica não apenas do ar, mas também de todos os gases, que impossibilita a utilização da pneumática com velocidades uniformes e constantes.
	A pneumática não possibilita controle de velocidade preciso e constante durante vários ciclos seguidos.
Desvantagens da Pneumática
Força
	Considerando a pressão normal de trabalho nas redes pneumáticas industriais, ou seja, uso econômico (6 bar), é possível, com o uso direto de cilindros, chegar a forças de 48250 N (capacidade para erguer uma massa de 494Kg) com atuador linear de 320mm
Desvantagens da Pneumática
Escape de Ar
	Sempre que o ar é expulso de dentro de um atuador, após seu movimento de expansão ou retração, ao passar pela válvula comutadora, espalhando-se na atmosfera ambiente, provoca um ruído relativamente alto, este problema foi diminuido com a aplicação de silenciadores.
Desvantagens da Pneumática
Custos
	Quando levados em consideração os custos de implementação dentro de uma indústria (produção, preparação, distribuição e manutenção), eles podem ser
considerados significativos. Entretanto o custo da energia é em parte compensado pelos elementos de preço vantajosos e rentabilidade do equipamento.
Desvantagens da Pneumática