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LICEU BRAZ CUBAS TATIANE DOS SANTOS SILVA PNEUMÁTICA / HIDRÁULICA Mogi das Cruzes – SP 2020 LICEU BRAZ CUBAS TATIANE DOS SANTOS SILVA PNEUMÁTICA / HIDRÁULICA Trabalho para alunos de DP e adaptação do Curso Técnico em Mecânica como requisito para obtenção de notas bimestrais. Orientador: Prof. Luiz Kubo. Mogi das Cruzes – SP 2020 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1 2. DESENVOLVIMENTO .......................................................................................... 6 2.1. Sistema de ar comprimido e tratamento de ar comprimido ................................... 6 2.2. Válvulas direcionais e elementos auxiliares ........................................................ 14 2.3. Atuadores pneumáticos e cilindros de ação simples .......................................... 17 2.4. Motores pneumáticos .......................................................................................... 21 2.5. Eletropneumática e eletromagnetismo ................................................................ 24 3. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 31 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 32 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Aplicação da hidráulica em equipamentos agrícolas .................................. 2 Figura 2 - Aplicação hidráulica em aviões ................................................................... 2 Figura 3 - Símbolos utilizados em esquemas de pneumática e hidráulica .................. 3 Figura 4 - Comparativo hidráulica x pneumática ......................................................... 4 Figura 5 – Compressibilidade ...................................................................................... 7 Figura 6 – Elasticidade ................................................................................................ 8 Figura 7 – Difusabilidade ............................................................................................. 8 Figura 8 – Expansabilidade ......................................................................................... 8 Figura 9 - Representação de um experimento que evidencia a diferença de peso entre o ar frio e quente ......................................................................................................... 9 Figura 10 - Camadas gasosas da atmosfera............................................................... 9 Figura 11 - Instalação central de ar comprimido ....................................................... 10 Figura 12 - Compressor de deslocamento positivo ................................................... 11 Figura 13 - Compressor dinâmico ............................................................................. 11 Figura 14 - unidade de conservação do sistema de ar comprimido .......................... 12 Figura 15 - Atuadores de válvulas direcionais ........................................................... 15 Figura 16 - Exemplo de válvula direcional hidráulica ................................................ 15 Figura 17 - Tipos de válvula direcional pneumática .................................................. 16 Figura 18 - Atuadores pneumáticos .......................................................................... 18 Figura 19 - Esquema de cilindro de simples ação ..................................................... 18 Figura 20 - Esquema de cilindro de dupla ação ........................................................ 19 Figura 21 - Atuadores pneumáticos .......................................................................... 19 Figura 22 - Símbolo do motor pneumático ................................................................ 21 Figura 23 - Motores de pistão.................................................................................... 22 Figura 24 - Motor pneumático de palheta .................................................................. 23 Figura 25 - Motor por engrenagem ............................................................................ 23 Figura 26 – Botoeiras ................................................................................................ 25 Figura 27 - Indicador luminoso .................................................................................. 25 Figura 28 - Chave de fim de curso ............................................................................ 26 Figura 29 - Sensores de proximidade ....................................................................... 26 Figura 30 - Tipos de relés ......................................................................................... 27 Figura 31 - Contadores de potência .......................................................................... 28 Figura 32 - Válvula solenoide .................................................................................... 28 1 1. INTRODUÇÃO De acordo com Agostini (2009), os três métodos de transmissão de potência no âmbito comercial são: a mecânica, a elétrica e a fluídica. A mais antiga e mais conhecida é a mecânica, que atualmente se provê de engrenagens, cames, correias, polias, molas e outros elementos. Com os tempos modernos, surgiu a elétrica e com ela, os geradores, motores elétricos, condutores e vários outros componentes, viabilizando a transmissão de energia entre longas distâncias. A terceira, a fluídica, possivelmente se originou há milhares de anos antes de Cristo, tendo como marco inicial, o uso da potência fluída em uma roda d’água. Já a aplicação de fluído sob pressão é mais recente, surgindo após a primeira guerra mundial. A automação industrial depende de várias tecnologias, entre elas a pneumática e a hidráulica, que são duas das principais formas de gerar o movimento das máquinas. A hidráulica e a pneumática estão presentes deste a mais simples forma de substituição do esforço muscular do trabalho, como os movimentos da cadeira de um dentista, até o posicionamento dos complexos movimentos de um carro de combate blindado, um grande avião comercial ou de uma máquina de embalagens. Assim a hidráulica e a pneumática são uma parte da automação industrial, que deverá ser associada ao movimento gerado por motores elétricos, operando através dos movimentos gerados por um operador (controle manual) ou por um controlador de processos apoiado por sensores. (PAVANI; 2010; p. 9) Para Negri (2001), os princípios da mecânica dos fluidos compressíveis e incompressíveis, que norteiam o desenvolvimento de componentes e circuitos, são aplicados através dos sistemas hidráulicos e pneumáticos. Porém, os estudo a automação e controle reúne áreas como a lógica Booleana, a Teoria de controle, a metrologia e a mecatrônica, e possuem referências diretas com a hidráulica e pneumática. Pavani (2010) afirma que na junção hidráulica e pneumática, a primeira é caracterizada pela força, precisão de movimento e custos elevados de seus componentes e a segunda, pela velocidade, facilidade de instalação e custos relativamente baixos. Essa dupla tem como ponto mais importante, os movimentos retilíneos obtidos pelos cilindros pneumáticos que se transformam em movimento pendular semicirculares e até circulares com configurações especiais e acessórios. 2 Segundo Negri (2001), a fabricação de máquinas e definição de processos se originam para cumprir diversos objetivos na produção de peças, embalagem de produtos, preparação de substâncias, transporte entre estações de trabalho, por exemplo. Todos esses são constituídos de ações mecânicas que produzem movimentos lineares ou rotativos. Um exemplode aplicação da hidráulica são as máquinas injetoras, que necessitam de atuações para injeção de matéria-prima e para abertura e fechamento do molde. Conforme representado na Figura 1, a hidráulica também é utilizada em máquinas agrícolas, pois junto à pneumática, são de uso não apenas na indústria. Em aviões, mostrado na Figura 2, ônibus, caminhões, tratores e automóveis são aplicadas em acionamento, direção e posicionamento de implementos. Figura 1 - Aplicação da hidráulica em equipamentos agrícolas Fonte: Sistemas hidráulicos e pneumáticos para automação e controle (2001, p.3) Figura 2 - Aplicação hidráulica em aviões Fonte: Sullivan (1998) 3 Segundo Negri (20001), as válvulas que comandam os atuadores hidráulicos e pneumáticos podem ser eletro-hidráulicas ou eletropneumáticas, e permitem que haja interface com sinais elétricos oriundos de botões ou CLPs (Controladores Lógicos Programáveis). A tecnologia de atuação depende de fatores tais como o custo, as condições ambientais, a mantenabilidade e a confiabilidade. Conforme Borges, Neto, Almeida e Oliveira (2000-2019), circuito é a união de várias válvulas e pistões através de tubulações, com a finalidade de realizar determinada tarefa. Esses circuitos podem ser pneumáticos ou hidráulicos e são representados em desenhos simples com símbolos, chamados de diagramas ou esquemas, que possibilitam entendem o funcionamento do mesmo. Figura 3 - Símbolos utilizados em esquemas de pneumática e hidráulica Fonte: Telecurso 2000 A grande vantagem da utilização da energia hidráulica consiste na facilidade de controle da velocidade e inversão, praticamente instantânea, do movimento. Além disso, os sistemas são auto lubrificados e compactos se comparados com as demais formas de transmissão de energia. As desvantagens dos sistemas é que se comparados com a eletricidade, por exemplo, os sistemas têm um rendimento baixo, de modo geral em torno de 65%, principalmente devido a perdas de cargas e vazamentos internos nos componentes. A construção dos elementos necessita de tecnologia de precisão encarecendo os custos de produção. (AGOSTINI; 2009, p.1) A Parker (2007), informa que as vantagens da pneumática são: O incremento da produção través de um investimento relativamente pequeno. A redução dos custos operacionais através da rapidez nos movimentos pneumáticos e da redução das operações repetitivas feitas pelos operadores que contribuem para o aumento do ritmo de trabalho e da produtividade e, consequentemente, reduz o custo operacional. 4 A robustez dos componentes pneumáticos que os torna relativamente insensíveis a vibrações e golpes, permitindo que ações mecânicas do próprio processo sirvam de sinal para as diversas sequências de operação e facilitam sua manutenção. A facilidade de introdução dos componentes através de pequenas modificações nas máquinas convencionais, aliadas à disponibilidade de ar comprimido. A exposição à ambientes hostis que contém poeira, atmosfera corrosiva, oscilações de temperatura, umidade, submersão em líquidos, geralmente não prejudicam os componentes pneumáticos, quando projetados para esta finalidade. A facilidade de manipulação, pois os controles pneumáticos não necessitam de operários com grande conhecimento técnico. A segurança, pois geralmente atuam com pressões moderadas, o que os tornam seguros contra possíveis acidentes com o próprio equipamento ou com as pessoas que o operam. A redução do número de acidentes, visto que os controles pneumáticos reduzem a incidência de fadiga, que por sua vez, favorece acidentes ocorridos devido à trabalho repetitivos. A Figura 3 descreve um comparativo entre a hidráulica e a pneumática. Figura 4 - Comparativo hidráulica x pneumática Fonte: Sistemas hidráulicos industriais (2009) 5 Este trabalho explana o conhecimento dos movimentos lineares e rotativos, associado ao uso de fluídos hidráulicos (o óleo) e pneumáticos (ar comprimido), bem como as relações da física que permitem os comandos manuais e, a interligação com os comandos elétricos. Essas relações possibilitam o controle de sistemas automatizados e junção aos elementos de alta tecnologia, os robôs industriais, que podem realizar os serviços perigosos, repetitivos e de alta precisão sem a presença do ser humano 6 2. DESENVOLVIMENTO 2.1. Sistema de ar comprimido e tratamento de ar comprimido A pneumática “é a ciência que estudo as propriedades físicas do ar e de outros gases. Na prática, podemos dizer que a pneumática é uma técnica em que o ar comprimido e empregado como principal elemento de trabalho.” (FILHO; 2000-2019; p.6) Conforme a Parker (2007), o ar comprimido vem sendo cada vez mais aplicado não só na indústria, mas também na água e na energia elétrica para racionalizar o trabalho. Da Vinci já dominava em utilizava o ar em diversos eventos, mas foi após a segunda metade no séculos XIX que ele passou a ser utilizado na indústria. Atualmente, controlar o ar sustenta os melhores graus de eficiência, de modo que as tarefas não sofrem fadiga, há maior segurança no trabalho e o tempo, as ferramentas e os materiais são economizados. Para Pavani (2011), o ar comprimido se tornou indispensável e pode ser encontrado em segmentos, tais como: Automotivo: freios, acionamentos de portas de ônibus; Indústria em geral: movimento, prensamento, elevação, transformação e controle; Transporte naval: comando de válvulas, sinais sonoros. Indústria química e petroquímica: controle de fluidos, acionamentos em áreas classificadas; Área médica/dentária: máquinas para cirurgia, furadeiras dentárias, técnicas de vácuo Segundo Filho (2000-2019), as características positivas do ar comprimido são a facilidade de transporte, a possibilidade de armazenamento em reservatórios, a insensibilidade às oscilações de temperatura, os fatos de não ser inflamável, não ser poluente e alcançar altas velocidades de trabalho. Em contrapartida, o ar comprimido: requer boa preparação visto que as impurezas e a umidade devem ser evitadas por desgastar os elementos; não mantem a velocidade dos pistões uniforme e constante; é econômico somente até 7 determinado grau de potência e se limita pela pressão de trabalho normal de 7 bar na atmosfera absoluta; provoca ruídos quando há escape de ar; é uma fonte cara de energia. Quando se estudam os sistemas pneumáticos, que utilizam ar comprimido, o fluido é tratado como não viscoso, isto é, não é requerido nenhum esforço para movimentar uma placa em relação à outra independentemente da velocidade desta placa. Por sua vez, é fundamental incluir o efeito da compressibilidade para o dimensionamentos das válvulas, cilindros e motores. (NEGRI; 2001; p. 15) Pavani (2010), descreve o ar como insípido, inodoro e incolor, sendo de fácil percepção através dos ventos, aviões e pássaros que nele flutuam e se movimentam e quando impacta sobre o corpo humano. O autor conclui que o ar tem existência real, concreta e ocupa lugar no espaço. No estudo do ar para fins de trabalho, são consideradas propriedades físicas descritas pela Parker (2007) como: Compressibilidade: é a característica de redução de volume que o ar apresenta, ao ser colocado em um recipiente com determinado volume e depois, receber a aplicação de uma força externa. Esta é representada na Figura 5. Figura 5 – Compressibilidade Fonte: Parker Training (p. 6) Elasticidade: é a característica contrária à compressibilidade, que faz com que o ar retorne ao seu volume inicial após interrupção da aplicação da forma externa, representada na Figura 6. 8 Figura 6 – Elasticidade Fonte: Parker Training (p. 6) Difusabilidade: propriedade que confere ao ar a possibilidadede se misturar à qualquer meio gasoso não saturado, representada na Figura 7. Figura 7 – Difusabilidade Fonte: Parker Training (p. 6) Expansabilidade: é a propriedade que permite que o ar ocupe todo o volume do recipiente no qual é inserido, adquirindo seu formato, representada na Figura 8. Figura 8 – Expansabilidade Fonte: Parker Training (p. 6) 9 A Parker (2007) também afirma que o assim como toda matéria concreta, o ar possui peso, sendo que o ar quente é menos denso que o frio, representado na Figura 9. Figura 9 - Representação de um experimento que evidencia a diferença de peso entre o ar frio e quente Fonte: Parker Training (p. 7) Borges, Neto, Almeida e Oliveira (2000-2019) afirmam que as camadas superiores da atmosfera são menos densas que as inferiores, concluindo que o ar comprimido seja mais pesado do que o ar à condição de pressão normal ou atmosférica. As camadas gasosas da atmosfera são representadas na Figura 10. Figura 10 - Camadas gasosas da atmosfera Fonte: Telecurso 2000 (p. 21) 10 Para a produção de ar comprimido serão necessários compressores, os quais comprimem o ar para a pressão de trabalho desejada. Na maioria dos acionamentos e comandos pneumáticos se encontra, normalmente, 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. Já, ao projetar uma instalação, devem ser consideradas a ampliação e aquisição de outros aparelhos de ar comprimido. (FILHO; 2000-2019; p.11) A Figura 11 retrata o esquema de uma instalação central de ar comprimido. Figura 11 - Instalação central de ar comprimido Fonte: Apostila de pneumática (p. 11) Para Filho (2000-2019), se deve dar importância ao grau de pureza do ar, pois quando limpo, este garante longa vida útil à instalação. Deve-se considerar também a escolha correta dos compressores. De acordo com Borges, Neto, Almeida e Oliveira (2000-2019), os circuitos pneumático ou hidráulico podem ser interpretados por cores que identificam linhas e equipamentos, além do que está ocorrendo com o mesmo ou qual a função que este desenvolverá. Segundo eles, as cores utilizadas pela American National Standard Institute (ANSI) são: Vermelho: que indica compressor e pressão de alimentação, pressão normal do sistema. Violeta: que indica pressão do sistema de transformação de energia intensificada, como no intensificador de pressão. 11 Laranja: indica a linha de comando, pilotagem ou a pressão básica reduzida em pilotagem de uma válvula, por exemplo. Amarelo: indica a restrição no controle de passagem do fluxo, por exemplo em válvula de controle do fluxo. Azul: indica fluxo em descarga, escape ou retorno como na exaustão para a atmosfera. Branco: representa o fluido inativo na armazenagem, por exemplo. Verde: indica sucção ou linha da drenagem em sucção do compressor, por exemplo. Para a Parker (2007), compressores são máquinas que elevam a pressão de um certo volume de ar, aceito nas condições atmosféricas, até uma determinada pressão, exigida na execução dos trabalhos realizados pelo ar comprimido. Estes podem ser de deslocamento positivo ou dinâmico, Figura 12 e 13, respectivamente. Figura 12 - Compressor de deslocamento positivo Fonte: Cola da Web Figura 13 - Compressor dinâmico Fonte: Comandos pneumáticos e hidráulicos (2010) 12 A unidade de condicionamento de ar é indispensável em qualquer tipo de sistema pneumático, ao mesmo tempo em que permite aos componentes trabalharem em condições favoráveis, prolonga a sua vida útil. Isto tudo é superado quando se aplica nas instalações dos dispositivos, máquinas, etc, os componentes de tratamento preliminar do ar comprimido após a tomada de ar: filtro, válvula reguladora de pressão e lubrificador, que reunidos formam a unidade de condicionamento ou lubrefil. (BORGES; NETO; ALMEIDA; OLIVEIRA; 2000-2019; p. 61) Segundo Negri (2001), a unidade de conservação do sistema de ar comprimido é constituída por filtro separador, regulador de pressão e lubrificador, representados na Figura 14. O filtro tem a função de liberar o ar comprimido livre de impurezas e da água condensada, pois no seu fundo são acumuladas as partículas de sujeira, que devem ser removidas periodicamente, evitando o arraste. Com o tempo, é necessário que o filtro seja trocado. O regulador de pressão tem a finalidade de manter constante o consumo de ar e a pressão de trabalho, mesmo que haja oscilação da rede, sendo a pressão de entrada, maior que a de saída. Em síntese, de um lado do diafragma atua a pressão de saída, que quando elevada, o movimenta contra a mola que está do outro lado. Quanto ao lubrificador, para o autor, sua função é abastecer com lubrificantes os elementos pneumáticos a fim de evitar desgaste dos elementos móveis, mantendo mínimas as forças de atrito e reduzindo a corrosão. Este elemento somente funciona quando há um fluxo suficientemente forte. Figura 14 - unidade de conservação do sistema de ar comprimido Fonte: Apostila de pneumática (p. 22) Conforme Aquino (2018), no projeto de um sistema de ar comprimido, basicamente, é preciso identificar a qualidade do ar, a quantidade de ar e o perfil 13 de carga dos equipamentos e nível de pressão do ar comprimido nas aplicações dos processos de produção dentro da indústria. Esses parâmetros, estando ajustados, asseguram uma configuração correta, econômica e produtiva ao sistema de ar comprimido. Segundo a Parker (2007), é de grande importância que grande parte da água, bem como dos resíduos de óleo, sejam removidas do ar para evitar redução de todos os dispositivos e máquinas pneumáticas, sendo que os efeitos do ar comprimido contaminado são: Obstrução de orifícios; Desgaste de vedações; Erosão nos componentes pneumáticos; Redução de eficiência de produtividade da máquina; Custos elevados com paradas de máquinas. Os sistemas pneumáticos são abertos, e após utilização do ar, este é liberado para a atmosfera e por vezes, está sujeito à contaminação e às impurezas procedentes da rede de distribuição. Grande parte dessas impurezas é retida durante a preparação, mas partículas pequenas ficam suspensas e são arrastadas pelo fluxo de ar comprimido. Nessa necessidade, a filtragem do ar consiste na aplicação de dispositivos capazes de reter as impurezas suspensas no fluxo de ar. (BORGES; NETO; ALMEIDA; OLIVEIRA; 2000-2019) A Parker (2007) afirma que “a presença de umidade no ar comprimido é sempre prejudicial para as automatizações pneumáticas, pois causa sérias consequências. É necessário eliminar ou reduzir ao máximo esta umidade.” Ela ainda informa que com os preparos corretos, é possível distribuir o ar com baixa e tolerável taxa de umidade. O ar úmido causa problemas ao sistema, tais como a necessidade de substituição de componentes pneumáticos, filtros, válvulas, cilindros danificados; a impossibilidade de aplicar o ar em determinadas operações como pintura, pulverizações; e refugos causados na produção de produtos. Dentre os tipos de secagem, os mais comuns são a secagem por refrigeração, por absorção e por adsorção. 14 Aquino (2017), sintetiza que “a qualidade do ar é determinada pelo grau de secagem e pelo nível de contaminantes (partículas e aerossóis) permitidos pela aplicação final.” Esse grau de qualidade depende dos equipamentos de secagem e filtragem utilizados. A qualidade do ar comprimido é diretamente proporcional ao custo para ser produzido. O custo também se eleva ao instalar esses equipamentos no sistema. Entretanto, a qualidade do ar varia quando o compressor é livre de lubrificação oil-freeou não. A Parker (2007) ressalta que a qualidade poderá ser obtida desde que os parâmetros básicos do ar comprimido estejam em operação, possibilitando menores índices de manutenção, maior durabilidade dos componentes pneumáticos, ou seja, maior lucratividade em relação à automatização efetuada. 2.2. Válvulas direcionais e elementos auxiliares Uma válvula direcional, por sua vez, é um tipo de válvula que tem o objetivo, conforme seu nome indica, de direcionar o sentido do fluído de forma a atender as necessidades de um determinado circuito e garantir que certas funções sejam desempenhadas. Explica-se: trata-se de um tipo de válvula que irá garantir, por exemplo, que o fluído que saí do ponto “A” possa chegar tanto ao ponto “B” como ao ponto “C” e até mesmo ao ponto “D”, se assim for necessário. Uma válvula direcional, portanto, tem o objetivo de permitir que um determinado tipo de fluído possa percorrer diferentes caminhos dentro de um circuito, sendo capaz de alternar o trajeto do mesmo sempre que assim se fizer necessário. (GLOBAL HP, 2017) Conforme a Parker (2007), essas válvulas são constituídas de um corpo com passagens internas que são conectadas e desconectadas por uma parte móvel. A posição normal desse tipo de válvula é a que se encontram os elementos internos enquanto a mesma não estiver em atuação, sendo mantida por força de uma mola. A aplicação no circuito é responsável pela escolha do tipo de acionamento da válvula de controle direcional, podendo ser por força muscular, mecânica, pneumática, hidráulica ou elétrica. Ainda segundo o fabricante, o carretel da válvula direcional pode estar em um ou outra posição extrema e é movido através de energia mecânica, elétrica, hidráulica, pneumática ou muscular. Quando o carretel é movido por força 15 muscular, válvula é de acionamento manual, com acionadores que podem ser alavancas, botões de pressão e pedais, representados na Figura 15. Figura 15 - Atuadores de válvulas direcionais Fonte: Válvulas de controle direcional (p. 75) A figura 16 representa uma válvula direcional hidráulica. Figura 16 - Exemplo de válvula direcional hidráulica Fonte: ACT Sistemas hidráulicos Nos sistemas de ar comprimido, de acordo com a Belton Pneumática, as válvulas direcionais têm a função de selecionar e direcionar o fluxo de ar, produzindo movimento ou derivando o fluxo para circuitos diferentes. O uso mais comuns dessas válvulas é no acionamento dos cilindros pneumáticos, mas 16 também pode estar em sistemas segurança, bloqueio, sopro expulsor etc. A Figura 17 representa válvulas direcionais pneumáticas. Figura 17 - Tipos de válvula direcional pneumática Fonte: https://hidraulicaepneumatica.com/como-selecionar-uma-valvula-direcional-pneumatica/ Conforme a Global HP, a válvula direcional permanece em sua posição de repouso até ser acionada por um dispositivo que a faz mudar para outras posições. Essa mudança, na maior parte das vezes, ocorre por dispositivos como registros, botões, alavancas e até mesmo sistemas mais modernos e computadorizados. Borges, Neto, Almeida e Oliveira (2000-2019) afirmam que as válvulas direcionais são classificadas de acordo com o número de posições, o número de vias, a vazão, o tipo de acionamento (comando), o tipo de retorno e o tipo construtivo da válvula. I. Número de Posições: tratada quantidade de posições diferentes que uma válvula direcional é capaz de assumir. Se ela for, por exemplo, uma válvula de 2 posições ela será capaz de ir da posição “A” para a posição”B” e vice-versa; II. Número de Vias: descreve a quantidade de conexões “úteis” que uma válvula tem, ou seja, a quantidade de conexões que ela será capaz de fazer. As conexões, por sua vez, podem ser de passagem, bloqueio e até mesmo ambas; III. Tipo de Acionamento: como o próprio nome sugere, descreve a forma como uma determinada válvula será ativada, com a mesma podendo ser acionada por meio de um botão, alavanca, pedal, piloto hidráulico ou pneumático, solenoide, dentre outros tipos de mecanismos; IV. Vazão: diz respeito a quantidade de fluído (gás ou líquido) que será capaz de passar pela válvula em questão; V. Retorno: descreve a forma como uma determinada válvula retorna a sua posição original , chamada de posição de repouso, após ter desempenhado sua função. Tal retorno pode ocorrer por meio de mola, solenoide ou uma série de outros mecanismos. (GLOBAL HP, 2017) 17 Para Borges, Neto, Almeida e Oliveira (2000-2019), os acionamentos oriundos da combinação entre válvulas são classificados como servo-piloto, comando prévio e indireto. Ocorre que, quando é realizado o acionamento (pré- comando) da válvula principal, responsável pela execução da operação, esta é alimentada e realizará o comando dos conversores de energia. As válvulas de pré-comando são geralmente elétricas (solenóides), pneumáticas (piloto), manuais (botão), mecânicas (came ou esfera), descritas como: Solenóide e piloto interno: havendo energização do solenóide, o campo magnético criado desloca o induzido, liberando o piloto interno X, que realiza o acionamento da válvula. O suprimento de fluido para atuação da válvula é provido através de um canal que está ligado ao orifício número “1” da válvula. Solenóide e piloto externo: semelhante ao anterior, porém a pressão do piloto é suprida externamente. O fluido do piloto externo poderá ser diferente do fluido que passa pela válvula. É utilizada quando o fluido que entra pelo orifício número 1 é de baixa pressão (menor do que 2,5 Bar). A troca de posição da válvula pode ser efetuada através do botão para acionamento muscular. Solenóide e piloto ou botão: a válvula principal pode ser conduzida por meio da eletricidade, que cria um campo magnético e causa o afastamento do induzido do assento, liberando a pressão que aciona a válvula. Seu acionamento pode ser através do botão que despressuriza a válvula internamente. Acionar o botão conjugado ao elétrico é importante para permitir testar o circuito, sem energizar o comando elétrico, permitindo continuidade de operação quando faltar energia elétrica. 2.3. Atuadores pneumáticos e cilindros de ação simples Atuadores pneumáticos, representados na Figura 18, são responsáveis pela execução do trabalho realizado pelo ar comprimido, e se dividem em lineares e rotativos. Estes dispositivos são conversores de energia, ou seja, convertem a energia contida no ar comprimido em trabalho. (BORGES; NETO; ALMEIDA; OLIVEIRA; 2000-2019) 18 Figura 18 - Atuadores pneumáticos Fonte: DJP Automação Os atuadores pneumáticos podem ser de simples ação ou de dupla ação. Conforme a BONGAS, os atuadores de simples ação, representados na Figura 19, possuem molas encapsuladas em seu interior, que atuam no movimento de abertura ou de fechamento. Nesse caso, o ar comprimido movimenta o mecanismo somente em um dos sentidos, comprimindo as molas que, após o encerramento do trabalho da energia pneumática, voltam ao seu estado original distendido. As características desses atuadores são consumo de ar num sentido; forças de avanço reduzida (em 10%) devido à mola; maior comprimento e cursos limitados; e baixa força de retorno (devido à mola). Figura 19 - Esquema de cilindro de simples ação Fonte: Comandos pneumáticos e hidráulicos (2010, p.73) 19 Ainda segundo a empresa, os atuadores de dupla ação, chamados Ar/Ar, representados na Figura 20, utilizam a energia pneumática do ar comprimido para movimentar o mecanismo em ambos sentidos, para abertura e fechamento. Suas características são: atuação de força nos dois sentidos, mas com força de avanço maior do que a de retorno e não permissão de cargas radiais na haste. Este atuador pode ser Linear ou Rotativo. Figura 20 - Esquema de cilindro de dupla ação Fonte: Comandos pneumáticos e hidráulicos(2010, p.73) Segundo a Master Tecnologia Industrial, fabricante de atuadores pneumáticos, estes dispositivos possibilitam movimento à sistemas de automação em máquinas e processos, e são uma opção mais simples e barata, se comparada com os atuadores elétricos ou hidráulicos. Os atuadores se classificam de acordo com suas aplicações e são divididos em rotativos, para automatizar válvulas de processo, e lineares para aplicações de automação industrial. Ambos são representados na Figura 21. Figura 21 - Atuadores pneumáticos Fonte: MTI Brasil 20 Os atuadores lineares são indicados para a atuação de válvulas do tipo: globo, guilhotina, gaveta, entre outras, sendo feitos de componentes que convertem a energia pneumática em movimento linear ou angular, sendo representados pelos cilindros pneumáticos. A aplicação também depende da natureza dos movimentos, velocidade, força, curso. Já os atuadores rotativos, são indicados para a atuação de válvulas do tipo: borboleta, de esfera, macho, entre outras, e são responsáveis por converter a energia pneumática em momento torsor contínuo ou limitado, e são mais conhecidos como motores pneumáticos e oscilantes. Como vantagens dos atuadores pneumáticos, Souza (2020) descreve: Componente: simplicidade de seus componentes e de seu design, facilmente encontrados no mercado à um custo relativamente baixo. Cargas pesadas: toleram cargas pesadas e, portanto, são bastante usados em diversas aplicações. Alta força e velocidade: se utilizados em aplicações de controle de movimento linear, onde não se requer alta precisão, oferecem alta força e velocidade, o que é difícil de encontrar em qualquer outro atuador, exceto nos hidráulicos. Fácil acessibilidade da fonte: sistemas pneumáticos necessitam do ar como uma fonte importante de atuação e este fluido é de fácil disponibilidade. Canalização fácil: Além de ser abundante no meio ambiente, o ar também pode ser facilmente canalizado e direcionado de um lugar para outro. Segurança no uso: são seguros, pois não apresentam risco de faíscas em ambientes explosivos, ao contrário dos atuadores elétricos. Armazenamento fácil: por conterem apenas gases comprimidos, podem ser armazenados mesmo na ausência de eletricidade ou energia. Tecnologia limpa: são menos propensos à contaminação, devido ao uso de ar, que é livre de substâncias químicas nocivas. Esses atuadores são bastante utilizados nas indústrias alimentícia e farmacêutica. Não apresenta problema de superaquecimento: não sobreaquecem com uso excessivo, favorecendo aplicações que exigem longo tempo de uso. Substituto econômico: é considerado uma ferramenta econômica para sistemas devido à facilidade de instalação e manutenção, por ser de baixo custo. https://bongas.com.br/valvulas-borboleta-o-que-e-tipos-funcionamento-e-aplicacoes/ https://bongas.com.br/de-esfera-tipos-funcionamento-aplicacoes/ https://bongas.com.br/atuador-pneumatico-principais-aplicacoes-industriais https://bongas.com.br/atuador-pneumatico-principais-aplicacoes-industriais 21 Alta durabilidade: podem suportar facilmente pressões constantes quando comparados com os outros tipos de atuadores. 2.4. Motores pneumáticos Segundo Filho (2000-2019), o motor pneumático (a ar) converte a energia do ar comprimido em trabalho mecânico, ao expandir esse o ar, através de movimento linear ou rotativo. O movimento linear se origina de um diafragma ou atuador de pistão e, o rotativo, se origina de um motor pneumático do tipo pás, um motor a ar do pistão, uma turbina a ar ou um motor tipo engrenagem. Os motores pneumáticos são classificados como motores de pistão, de palhetas, de engrenagens e turbo-motores. Para a Artecni, as indústrias que utilizam motores pneumáticos precisam de elementos que permitam seu controle. Em alguns casos, a regulagem de vazão e de pressão do ar comprimido ou o direcionamento de seu fluxo são indispensáveis para a excelência do processo, e esses controles dependem de acessórios dos quais, podemos destacar as válvulas direcionais, de bloqueio, de pressão e de fluxo. Essas válvulas podem também bloquear o ar comprimido (comando abre/fecha). Os motores pneumáticos, simbolizado na Figura 22, podem ser do tipo: motores de êmbolos radiais, motores de êmbolos axiais, motores de palhetas e motores de engrenagens. As qualidades que caracterizam os motores pneumáticos são: Valor muito baixo para a razão peso/potência, pelo que são motores muito leves, o que os torna indicados para máquinas ferramentas portáteis; Segurança elevada relativamente a ambientes de trabalho adversos, nomeadamente atmosferas explosivas, sujas, muito quentes ou húmidas. (FILHO, 2000-2019) Figura 22 - Símbolo do motor pneumático Fonte: Introdução aos sistemas pneumáticos (p. 2) 22 Os motores de pistão são divididos em motores de pistão radial e axial, representados na Figura 23. Os pistões atuam em movimento inverso, através de uma viela, acionando o eixo do motor pelo ar. A utilização de vários cilindros garante movimentos sem golpes ou vibrações. A capacidade dos motores depende da pressão da entrada, do número de pistões, da área dos pistões e do curso dos mesmos. A rotação máxima é de 5000 rpm, podendo ser à direita ou à esquerda. (FILHO, 2000-2019) Figura 23 - Motores de pistão Fonte: Danfoss Segundo a Artecni, “os motores pneumáticos de palhetas atende aplicações em locais onde não é possível o acionamento de máquinas por energia elétrica, devido à ausência de eletricidade.” Um exemplo de seu uso, por ser de acionamento por ar comprimido, é na mineração em locais de difícil acesso e sem fornecimento de energia elétrica. Parafusar, furar, movimentar talhas e esteiras transportadoras, acionar misturadores e agitadores para baldes, tanques e contêineres, acionar escovas para limpeza de tubos, movimentar mesas giratórias, acionar equipamentos Airless e salas de pintura, são algumas das aplicações desse tipo de motor em indústrias farmacêuticas, alimentícias, de papel e celulose, automotivas, etc. Para Filho (2000-2019), o motor rotativo de palhetas, representado na Figura 24, é reversível, ou seja, tem rotação à direita e à esquerda. O motor possui duas roscas, uma para entrada e outra para saída de ar e, ao trocar a entrada de ar, é possível reverter o giro do eixo para o outro lado. 23 Figura 24 - Motor pneumático de palheta Fonte: Artecni Conforme a Aerotech, os motores pneumáticos por engrenagens, representados na Figura 25, podem ser com caixas de engrenagens helicoidais, coaxiais e planetárias, que são montadas diretamente nos motores da aleta, o que os torna compactos e bem protegidos contra influências externas. Filho (2000-2019) complementa que a geração do momento torsos ocorre nesse tipo de motor pela pressão do ar contra os flancos dos dentes do conjunto de engrenagens. Uma das engrenagens é fixada no eixo do motor e a outra é livre no outro eixo. Figura 25 - Motor por engrenagem Fonte: Aerotech “Os turbo-motores somente podem ser empregados para trabalhos leves. O campo de rotação, porém é muito amplo (em equipamentos dentários de 500000 rpm).” (FILHO, 2000-2019, p. 59-60) 24 2.5. Eletropneumática e eletromagnetismo Para Bruno e Barbosa (2010-2020), a eletropneumática é definida como sendo a combinação entre a energia pneumática e a energia elétrica. Quando os sistemas pneumáticos são substituídos por sistemas eletropneumáticos, há maiores vantagens que envolvem a velocidade de transmissão, as perdas e a segurança. De acordo com o site Saber Elétrica, a eletropneumática está associada com à geração, controle e transmissão de potência através de fluídos pressurizados, que permitem controlar forças e movimentos mediante a interação entre a energia elétrica e a energia pneumática. A junçãoentre essas duas grandezas, é essencial à automação industrial, a eletricidade e a pneumática e os principais elementos eletropneumáticos são os elementos de entrada de sinais elétricos, os elementos de processamento de sinais e os elementos de saída de sinais elétricos. Os circuitos eletropneumáticos são esquemas de comando e acionamento que representam os componentes pneumáticos e elétricos empregados em máquinas e equipamentos industriais, bem como a interação entre esses elementos para se conseguir o funcionamento desejado e os movimentos exigidos do sistema mecânico. Enquanto o circuito pneumático representa o acionamento das partes mecânicas, o circuito elétrico representa a seqüência de comando dos componentes pneumáticos para que as partes móveis da máquina ou equipamento apresentem os movimentos finais desejados. (PARKER; 2001, p. 63) Em síntese, há quatro métodos de construção de circuitos eletropneumáticos, sendo eles: Intuitivo; Minimização de contatos ou sequência mínima; Maximização de contatos ou cadeia estacionária; Lógico. Segundo Brandão (2017), para utilizar ambas formas de energia simultaneamente, o que caracteriza os circuitos mistos, é necessário o uso de componentes de entrada e de saída de sinais elétricos, além dos componentes pneumáticos em si. Segundo Bruno e Barbosa (2010-2020), esses componentes podem ser: 25 Botoeiras: representadas na Figura 26, são chaves elétricas de acionamento manual e que apresentam, geralmente, um contato aberto e outro fechado. De acordo com o tipo de sinal a ser enviado ao comando elétrico, as botoeiras são caracterizadas como pulsadoras ou com trava. As botoeiras pulsadoras só acionam seus contatos mediante a ação externa do operador, que quando se encerra, retorna à posição inicial. As botoeiras com trava mudam de estado frente a ação do operador, mas só retornam à posição anterior quando novamente acionadas. A botoeira com trava, acionada por botão do tipo cogumelo geralmente vermelho, é geralmente utilizada como botão de emergência para o desligamento de circuitos elétricos em urgências. Figura 26 – Botoeiras Fonte: Eletropneumática (2010-2020, p.3) Indicadores luminosos: representados na Figura 27, “são elementos luminosos que sinalizam um status On/Off.” (BRANDRÃO; 2017, p. 87) Figura 27 - Indicador luminoso Fonte: Eletropneumática (2017, p. 87) Chaves de fim de curso: representadas na Figura 28, “são comutadores elétricos e entrada de sinais, só que acionados mecanicamente.” (BRUNO; 26 BARBOSA; 2010-2020; p.8) O posicionamento dessas chaves se localiza no decorrer do percurso dos cabeçotes móveis das máquinas e equipamentos ou nas hastes de cilindros hidráulicos e pneumáticos. Figura 28 - Chave de fim de curso Fonte: Eletropneumática (2017, p. 87) Sensores de proximidade: representados na Figura 29, emitem sinais elétricos e são posicionados no decorrer do percurso de cabeçotes móveis de máquinas e equipamentos industriais, e também nas hastes de cilindros hidráulicos e/ou pneumáticos. O acionamento não depende de contato físico com as partes móveis dos equipamentos, bastando apenas que estas partes se aproximem dos sensores a uma determinada distância. São utilizados os sensores capacitivos, indutivos, ópticos, magnéticos, ultra-sônicos, de pressão, volume e temperatura. Figura 29 - Sensores de proximidade Fonte: Electro Automação Industrial 27 Além desses elementos, ainda se tem a necessidade de utilizar componentes de processamento de sinais elétricos que analisam informações enviadas ao circuito pelos elementos de entrada, de modo que em sua combinação, favorecem o comportamento final do comando elétrico. Os relés auxiliares são chaves elétricas de quatro ou mais contatos, acionadas por bobinas eletromagnéticas operadas por diferentes possíveis níveis de tensão, mais freqüentemente se utilizam bobinas operadas a 24Vcc, mas também existem bobinas para tensão de trabalho de 220Vac por exemplo. Os relés auxiliares possuem determinado número de contatos normalmente abertos (NA) e de contatos normalmente fechados (NF). (BRANDÃO; 2017; p.94) Há ainda o relé de contatos comutadores, que podem empregar as mesmas combinações ou ainda qualquer outra combinação desejada, e o relé temporizador, que possui contato comutador acionado por uma bobina com retardo na energização ou desenergização. (BRANDÃO; 2017) Exemplos de relés são mostrados na Figura 30. Figura 30 - Tipos de relés Fonte: Mundo da elétrica Os contatores de potência apresentam as mesmas de funcionamento dos relés auxiliares, sendo dimensionados para suportar correntes elétricas mais elevadas, empregadas na energização de dispositivos elétricos nos contatos principais. Os contatos de potência são referenciados por números de um só algarismo, o lado superior dos contatos de números ímpares constitui a entrada (tetrapolar, tripolar ou bipolar) da alimentação, no lado inferior dos contatos pares conecta-se a saída de alimentação para a carga. (BRANDÃO; 2017; p.97) Os contadores são mostrados na Figura 31. 28 Figura 31 - Contadores de potência Fonte: Eletropneumática (2017, p. 97) Por fim, outro elemento importante é a válvula solenoide, representada na Figura 32 e descrita por Brandão (2017) como sendo uma bobina eletromagnéticas que, quando energizada, gera um campo magnético capaz de atrair elementos com características ferrosas, comportando-se como um imã permanente. Essas são ação On/Off, aberta e fechada e acionadas por uma bobina também solenóide. Seu uso se dá em manobras em linhas (tubulações) de gases, vapores ou líquidos. Figura 32 - Válvula solenoide Fonte: Eletropneumática (2017, p. 98) As vantagens da eletropneumática, segundo a Saber Elétrica, são: Incremento da produção com investimentos relativamente pequenos; 29 Redução dos custos operacionais; Robustez dos componentes pneumáticos; Facilidade de implantação; Resistência a ambientes hostis; Simplicidade de manipulação; Segurança e redução no número de acidentes. Como desvantagens ou limitações, a Saber Elétrica define que: O ar comprimido necessita de uma boa preparação para realizar o trabalho proposto; Pressão máxima de trabalho dos componentes pneumáticos de 1723,6 Kpa, portanto as forças envolvidas são pequenas comparadas a outros sistemas; Velocidades muito baixas são difíceis de serem obtidas com o ar comprimido devido as suas propriedades físicas; O ar é um fluido altamente compressível, portanto é impossível se obter paradas intermediárias e velocidades uniformes. De acordo com Gouveia (2018), “eletromagnetismo é o ramo da física que estuda a relação entre as forças da eletricidade e do magnetismo como um fenômeno único. Ele é explicado pelo campo magnético.” Pela Lei de Faraday podemos observar que a variação do campo magnético produz um campo elétrico. Em 1864, o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) analisou o efeito inverso, ou seja se a variação do campo elétrico produziria uma variação do campo magnético. Maxwell mostrou que é possível ocorrerem situações em que um campo elétrico variável produz um campo magnético também variável, com este produzindo um campo magnético variável como o primeiro. (CARVALHO, 2015) Atualmente, o eletromagnetismo é utilizado, para diversas finalidades, tais como na construção de geradores de energia elétrica; nas radiografias, e nos fornos de microondas, entre outros. Gouveia (2018), relata que há três fenômenos eletromagnéticos, sendo eles: o de uma corrente elétrica, que passa por um condutor e produz um campo magnético ao redor do condutor, semelhante à um ímã; o de um condutor, que quando percorrido por corrente elétrica dentro de um campo magnético, se sujeita a uma força; a indução eletromagnética,que é o surgimento de uma corrente elétrica em um condutor fechado, inserido em um campo magnético, https://www.infoescola.com/fisica/campo-magnetico/ https://www.infoescola.com/fisica/campo-magnetico/ https://www.infoescola.com/fisica/campo-eletrico/ 30 quando sua superfície é atravessada por esse fluxo magnético e ocorre variação esse fluxo. 31 3. CONCLUSÃO O estudo da automação e controle abrange várias áreas, dentre elas, a pneumática e a hidráulica. Apesar de não serem técnicas tão antigas, ambas se tornaram usais em indústrias e produtos da atualidade. Possuem diversas vantagens não somente para o processo, mas para o trabalhador, como por exemplo a racionalização dos processos de trabalho, viabilizando a redução das fadigas por processos repetitivos. Os sistemas de controle pneumático ou hidráulico de fluidos são mais simples que os elétricos. Componentes simples, como uma válvula direcional, um regulador, e acessórios são suficientes para controlar a direção, a força e a velocidade do cilindro. O ar comprimido se tornou indispensável nos mais diferentes ramos industriais, pois grandes linhas de produção possuem equipamentos pneumáticos em suas instalações. Entretanto, não controlar a qualidade desse fluído pode acarretar em prejuízos para o processo. Este trabalho possibilitou evidenciar que os temas apresentados se auto relacionam e podem ser aplicados em diferentes tipos e portes de equipamentos. Diversos são os elementos que podem ser utilizados nos circuitos pneumáticos, hidráulicos e eletropneumáticos, portanto, é necessário que o profissional que atua no projeto, saiba os conceitos e funcionalidades básicas destes para a correta escolha, dimensionamento e eficiência do sistema. Com isso, também poderão ser obtidos ganhos financeiros e produtivos. 32 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS AEROTECH. Motor pneumático de engrenagem/palheta. Aerotech Aerodynamic Technology. Disponível em: https://aerotech.ind.br/motor- pneumatico-engrenagem.html. Acesso em 02 de Outubro de 2020. AGOSTINI, Nestor. Sistemas hidráulicos industriais. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Rio do Sul. 2009. Disponível em: http://paginapessoal.utfpr.edu.br/luizpepplow/sistemas-hidraulicos-1/apresentac oes-das-aulas/Sistemas_hidr%23U00dfulicos.pdf/view. Acesso em 02 de Outubro de 2020. AQUINO, Saulo. Como projetar e avaliar um sistema de ar comprimido. Central Brasileira de Automação. 2017. 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