UNIVERSIDADE PAULISTA CAMPUS ARARAQUARA/SP BIBLIOGRAFIA

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1 PNEUMÁTICA MARCOS DORIGÃO MANFRINATO UNIVERSIDADE PAULISTA CAMPUS ARARAQUARA/SP 2009 BIBLIOGRAFIA 1. Ariveltro Bustamante Fialho. Automação Pneumática projetos, dimensionamento e análise de circuitos. 2 edição, Editora Érica, Antonio Creus Solé. Neumática e Hidráulica. 1 edição, Ediciones Técnicas Marcombo, Harry L. Stewart. Pneumática& Hidráulica. 3 edição, Editora Hemus, Nelso Gauze Bonacorso e Valdir Noll. Automação Eletropneumática. 11 edição, Editora Érica, FESTO DIDATIC, Introdução a Pneumática, São Paulo, Editora Festo Didact, FESTO DIDATIC, Introdução a Sistemas Eletropneumáticos, São Paulo, Editora Festo Didatic, FESTO DIDATIC, Introdução a Controladores Lógicos Programáveis, São Paulo, Editora Festo Didact, FESTO DIDATIC, Técnicas de Automação Industrial- I, São Paulo, Editora Festo Didact, PARKER HANNIFIN, Tecnologia Eletropneumática Industrial, São Paulo, Editora Parker Training, 2001

2 CONCEITOS BÁSICOS O QUE É PNEUMÁTICA??? Onde aplicar???? Princípios físicos que envolvem??? Que sistema poderia fazer a mesma coisa? VANTAGENS QUANTIDADE o ar para ser comprimido existe em quantidades ilimitadas. Já na hidráulica o fluido é limitado ao reservatório, caso exista algum vazamento o sistema poderá sofrer a influência da falta do fluido hidráulico e o sistema não funciona. 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. A mangueira de transporte de ar comprimido são mais baratas pois não precisa de reforço como as mangueiras utilizadas na hidráulicos, fato este devido a pressão de trabalho. A pressão de trabalho na hidráulica pode passar de 350 bar enquanto que na pneumática a pressão máxima não passam de 15 bar.

3 VANTAGENS ARMAZENAGEM ao contrário da hidráulica em que durante o funcionamento do circuito faz-se necessário o trabalho continuo da bomba hidráulica (na maioria dos casos) para a circulação do fluido que se encontra armazenado em um tanque anexo ao equipamento, em pneumática o ar é comprimido por um compressor e armazenado em um reservatório, não sendo assim necessário que o compressor trabalhe continuamente, mas sim, somente, quando a pressão cair a um determinado valor ajustado em um pressostato. TEMPERATURA diferentemente do oléo 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 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 que na hidráulica trabalha-se com pressões que chegam à ordem de 350 bar. LIMPEZA uma vez que o fluido de utilização é o ar comprimido, não há riscos de poluição ambientam, 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.

4 VANTAGENS CONSTRUÇÃO uma vez que as pressões de trabalho são relativamente baixas quandocomparadas à 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, portando mais vantajoso. VELOCIDADE é um meio de trabalho que permite alta velocidade de deslocamento, em condições normais entre 1 e 2 m/s, podendo atingir 10 m/s no caso de cilindros especiais e rpm no caso de turbinas pneumáticas. Na hidráulica a velocidade de deslocamento, em condições normais é de 0,5 m/s. VANTAGENS REGULAGEM a pneumática 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 ão máximo do elemento. SEGURANÇA CONTRA SOBRECARGA diferenemente dos sistemas puramente mecânicos 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. Em sistemas hidráulicos quando ocorre sobrecarga o sistema pode sofrer danos na bomba, mangueiras e conexões.

5 DESVANTAGENS 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 um boa preparação da qualidade do ar, isto é, isento de impurezas e umidades, o que é possível com a utilização de filtros e purgadores. Dessa forma, variações na úmidade do ar e particulas suspensas afetam a qualidade de produção de ar comprimido. 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. Isto que dizer que diferentemente da hidráulica, ou mesmo da eletrônica, em controle de servomotores para movimentos de precisão, a pneumática não possibilita controle de velocidade preciso e constante durante vários ciclos seguidos. Já na hidráulica por utilizar fluido incompressível a velocidade dos atuadores são uniformes o que possibilita também a reversão de rotação instantânea. DESVANTAGENS FORÇA a pneumática conseguer aplicar forças pequenas, fato esse se considerarmos que a pressão normal de trabalho nas redes pneumáticas industriais, ou seja, uso econômico (6 bar), com o uso direto de cilindros, chegar a forças de 4825 N (capacidade para erguer uma massa de 494 kg) com um atuador linear de diâmetro de pistão de 320 mm. Se utilizarmos o mesmo atuador linear agora em um sistema hidráulico cuja a bomba forneça uma pressão de trabalho de 350 bar a força pode chegar a N (capacidade para erguer uma massa de kg). 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, apesar de que nos dias de hoje, este problema foi quase totalmente eliminado com o desenvolvimento de silenciadores.

6 DESVANTAGENS CUSTOS quando levados em consideração os custos de implantação dentro de uma indústria (produção, preparação, distribuição e manutenção), eles podem ser considerados significativos. Entretanto, o custo de energia é em parte compensado pelos elementos de preços vantajosos e rentabilidade do equipamento. PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO COMPRESSORES VOLUMÉTRICOS DINÂMICOS ALTERNATIVOS ROTATIVOS CENTRÍFUGOS AXIAIS PALHETAS PARAFUSOS LÓBULOS

7 PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES NA ESCOLHA DE UM COMPRESSOR Volume de ar fornecido Volume teórico Volume efetivo Pressão Pressão de regime Pressão de trabalho Acionamento Motor elétrico Mortor a explosão Sistema de regulagem Regulagem por descarga Regulagem por fechamento Regulagem por garras Regulagem por rotação Regulagem intermitente PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO PISTÃO OU ÊMBOLO

8 PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO DUPLO PISTÃO Mais utilizado atualmente; Suporta pressões acima de 10 bar; Contamina o ar com óleo; Compressão pulsante; Baixo custo. PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO PALHETAS Isento de lubrificação; Não atinge alta pressão; Compressão contínua; Pode ser usado como bomba de vácuo.

9 PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO ROOTS OU LÓBULOS Isento de lubrificação; Não atinge alta pressão; Compressão contínua; Grandes vazões; Alto nível de ruído. PRODUÇÃO DE AR COMPRIMIDO DUPLO PARAFUSO Isento de lubrificação; Baixa manutenção; Grande aplicação na indústria; Altas vazões; Custo elevado.

10 DISTRIBUIÇÃO DE AR COMPRIMIDO SECAGEM D0 AR COMPRIMIDO

11 IMPLANTAÇÃO DA REDE DE DISTRIBUIÇÃO REDE DE DISTRIBUIÇÃO

12 DIMENSIONAMENTO DA LINHA PRINCIPAL (TRONCO) Esse dimensionamento deve considerar uma queda de pressão de 0,3 a 0,5 kgf/cm 2 do reservatório (adotar 0,5 a partir de 500 m) até o consumidor. No dimensionamento da linha tronco, devem ser considerados os seguintes itens: Volume de ar corrente (vazão) Comprimento total da linha tronco Queda de pressão admissível Número de ontos de estrangulamento Pressão de regime VOLUME DE AR CORRENTE É a quantidade de m 3 de ar por hora que será consumida da rede, pelos automatismos, supondo todos em funcionamento em um mesmo momento. Para efeito de dimensionamento seguro e recordando a possibilidade de futura ampliação dos pontos de consumo, deve-se somar a esse volume o percentual estimado para a dutura ampliação. Q...m 3 /h

13 COMPRIMENTO TOTAL DA LINHA TRONCO É a soma do comprimento linear da tubulação tronco com o comprimento equivalente originado dos pontos de estrangulamento L t...m L t = L 1 + L 2 L 1 = comprimento retilíneo (m) L 2 = comprimento equivalente (m) QUEDA DE PRESSÃO ADMITIDA A pressão de um fluido, ao deslocar-se através de uma tubulação, sofre gradual redução ao longo do comprimento, em função dos atritos internos e dos possíveis estrangulamentos (curvas, registros, válvulas, etc.) que existam ao longo dela. Essa queda de pressão, também conhecida como perda de carga, para um satisfatório desempenho da rede, não deve exceder 0,3 kgf/cm 2. Em caso de 2 grandes redes pode chegar ao máximo de 0,5 kgf/cm 2. P...kgf/cm 2

14 PRESSÃO DE REGIME Como já fora visto anteriomente, é a pressão na qual o ar se encontra armazenado no reservatório (7 a 12 kgf/cm 2 ). Lembrando que a pressão de trabalho considerada econômica industrialmente é de 6 kgf/cm 2. P...kgf/cm 2 EQUACIONAMENTO A determinação do diâmetro mínimo necessário para atender à demanda, inclusive já prevendo expansão futura, pode ser obtida então pelo seguinte equacionamento das variáveis citadas: d = 10 = 5 1, PP. 3. Q 1,85. L t

15 ASTM A 120 NÚMERO DE PONTOS DE ESTRANGULAMENTO São as singularidades já mencionadas (curvas, São as singularidades já mencionadas (curvas, registros, tês, etc.), necessárias para distribuição da linha tronco por dentro de toda a planta industrial. Essas singularidades devem ser transformadas em comprimento equivamente (L 2 )

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17 EXEMPLO PRÁTICO 1 linha tronco A seguir, é demonstrado um exemplo prático em que se deseja determinar o diâmetro necessário à tubulação da linha tronco de uma rede com as seguintes caractesísticas: Comprimento de tubulação linear (retilíneo) 300 m Perda de carga admitida 0,3 kgf/cm 2 Pressão de regime 9 kgf/cm 2 Volume de ar corrente 300 m 3 /h Aumento de capacidade prevista nos próximos 10 anos 60% Singularidades: 10 tês roscados com fluxo em ramal 5 tês roscados com fluco em linha 7 válvulas do tipo gaveta, roscadas 6 curvas de 90 de raio longo Em primeiro lugar é necessário dispor da tabela com todas as singularidades com seus respectivos comprimentos equivalentes, porém, ao consultarmos verificaremos que há a necessidade do conhecimento de um diâmetro nominal. Esse diâmetro será obtido de uma primeira aplicação da equação do diâmetro minimo, sem, no entanto, considerar a existência das singularidades, ou seja, será considerado apenas o comprimento da tubulação retílinea. Assim, teremos: d = , PP.. Q 1,85. L 3 3 m 1, ,6 h 5 d = 10 kgf kgf 0, cm cm d = 70mm t 1,85 ( 300 m ).

18 De acordo com a Tabela da norma ASTM a 120 o diâmetro interno equivalente de 70 mm é de 3 in. Este valor de 3 in é um valor de referência que deve ser utilizado para consultar as perdas de carga por singularidades. Dessa forma, teremos, SINGULARIDADE QUANTIDADE COMPRIMENTO EQUIVALENTE (m) TOTAL (m) Tê roscado com fluxo 10 5,2 52 em ramal Tê roscado com fluxo 5 3,7 18,5 em linha Válvula do tipo 7 0,58 4,06 gaceta, roscada Curva de 90 de raio longo 6 1,2 7,2 Comprimento equivalente total (L 2 ) 81,76 Reaplicando a equação e substituindo as variáveis, teremos: d = 3 1, Q PP. 1, , d = 10 d =73, 51mm. L t 1, m ,6. h kgf kgf 0, cm cm ( ,76m) Para esse caso mesmo considerando as perdas de carga devida às singularidades, o diâmetro necessário continua ainda correspondendo ao tudo de diâmetro nominal de 3 in, conforme Tabela ASTM A 120.

19 EXEMPLO PRÁTICO 2 linha secundária Supondo que a rede calculada anteriormente tenha a vista superior, conforme demonstrado na figura a seguir: Os dados referentes às linhas secundárias, conforme a Figura Acima, são os seguintes: Comprimento de tubulção linear (cada linha) 11 m Perda de carga admitida 0,3 kgf/cm 2 Pressão de regime 9 kgf/cm 2 Volume de ar corrente total da fábrica 300 m 3 /h Aumento de capacidade prevista nos próximos 10 anos 60% São dez linhas secundárias de igual comprimento. Singularidades 3 tês roscados com fluxo em ramal 1 válvula do tipo gaveta roscada 1 curva de 90 de raio longo roscada 1 cotovelo comum de 90 roscado

20 Ajustando o volume de ar corrente por linha secundária, teremos na equação: d d d = 3 1, Q PP. 1, L ,6 m 1, h = 10 kgf kgf 0, cm cm =15,42mm t 3 1,85 ( 11m). Verificando o diâmetro calculado na Tabela ASTM A 120, teremos um diâmetro interno nominal de 1/2 in. Utilizando o valor do diâmetro nominal de 1/2 in, podese encontrar os valores das singularidades na tabela, desta forma teremos: SINGULARIDADE QUANTIDADE COMPRIMENTO EQUIVALENTE (m) TOTAL (m) Tê roscado com fluxo 3 1,3 3,9 em ramal Válvula do tipo gaveta, 1 0,17 0,17 roscada Curva de 90 de raio 1 0,67 0,67 longo Cotovelo comum de 90 roscado 1 1,1 1,1 Comprimento equivalente total (L 2 ) 5,84

21 Reaplicando a equação e substituindo as variáveis, tem-se: d d d = , Q PP. 1,85. L ,6 m 1, h 5 = 10 kgf kgf 0, cm cm = 16,80mm t 1,85 ( 11+ 5,84m). Lembrando que 16,80 é o diâmetro interno necessário à tubulação da linha, e buscando na Tabela ASTM A 120, tem-se diâmetro interno igual ou imediatamente superior ao obtido, verificaremos que o mais próximo superior tem diâmetro interno de 21 mm e corresponde ao tubo de diâmetro nominal 3/4 in. DIMENSIONAMENTO DA LINHA TRONCO A PARTIR DE UM NOMOGRAMA Além da equação que oferece resultados bastante precisos, a FMA Pokorny, de Frankfurt, na Alemanha, desenvolveu um nomograma o qual permite obter o diâmetro da tubulação da linha tronco, de forma um pouco mais rápida, com cálculo simples, porém não tão precisos. Abaixo apresenta-se o nomograma, e que pode ser usada conforme as seguintes instruções, conforme apresentado no exemplo a seguir.

22 EXEMPLO PRÁTICO 1 linha tronco A seguir, é demonstrado um exemplo prático em que se deseja determinar o diâmetro necessário à tubulação da linha tronco de uma rede com as seguintes caractesísticas: Comprimento de tubulação linear (retilíneo) 300 m Perda de carga admitida 0,3 kgf/cm 2 Pressão de regime 9 kgf/cm 2 Volume de ar corrente 300 m 3 /h Aumento de capacidade prevista nos próximos 10 anos 60% Singularidades: 10 tês roscados com fluxo em ramal 5 tês roscados com fluco em linha 7 válvulas do tipo gaveta, roscadas 6 curvas de 90 de raio longo

23 SINGULARIDADE QUANTIDADE COMPRIMENTO EQUIVALENTE (m) TOTAL (m) Tê roscado com fluxo 10 3,9 39 em ramal Tê roscado com fluxo 5 2,8 14 em linha Válvula do tipo gaceta, 7 0,52 4,63 roscada Curva de 90 de raio longo 6 1,1 6,6 Comprimento equivalente total (L 2 ) 63,24 O comprimento total da linha tronco será: L = L + L L t t t = = 1 L 300m 2 363,24m + 63,24m Esse diâmetro resulta, conforme pode ser analisado, 60 mm, que de acordo com a Tabela ASTM A 120, continua correspondendo a um tubo de diâmetro nominal 2. 1/2 in.

24 ATUADORES PNEUMÁTICOS Os atuadores pneumáticos são elementos mecânicos que por meio de monimentos lineares ou rotativos transformam a energia cinética gerada pelo ar pressurizado e em expansão, em energia mecânica, produzindo trabalho. Conhecidos comumente como cilindros pneumáticos, são elementos constitídos por um tubo cilíndrico, tendo em uma de suas extremidades fechada por uma tampa, a qual contém uma conexão que serve para admissão e exaustão do ar, e na outra extremidade outra tampa com igual característica, porém dotada ainda de um furo central pelo qual se movimenta uma haste que, na extremidade interna ao cilindro, possui um êmbolo com vedação, que pela ação do ar expandindo-se no interior do tubo cilíndrico, possibilita o movimento de expansão dessa haste. Os atuadores pneumáticos são regidos por normas intrnacionais, tais como: ISO 6431, ISO 6432 e DIN ISO A representação simbólica normalizada dos atuadores deve estar de acordo com a norma DIN/ISO 1929 de agosto de 1979, ainda hoje em vigor. Estão classificados basicamente em duas famílias: Atuadores pneumáticos lineares de simples efeito; Atuadores pneumáticos lineares de duplo efeito.

25 Músculo Pneumático

26 DIMENSIONAMENTO DE ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES E ROTATIVOS COMERCIAIS O dimensionamento dos atuadores lineares e rotativos para especificação final em catálogos comerciais de faricantes e revendedores é feito a partir de uma análise dos esforços envolvidos, amplitude de deslocamentos e tipos de montagens

27 D P = 4. F π P.. P ϕ Sendo que: D P diãmentro minimo aceitável do pistão cm; F P força de projeto kgf; φ fator de correção da força de projeto ver tabela; P t pressão de trabalho kgf/cm 2. t VERIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DO DIÂMETRO DA HASTE PELO CRITÉRIO DE EULER O critério de Euler analisa a relação entre o comprimento da haste (L) e o tipo de fixação ( fornecido na tabela abaixo), fornecendo um coeficiente λ, conhecido como comprimento livre de flambagem, que é aplicado no seguinte equacionamento, possibilitanto verificar o diâmetro da haste oferecido no cátalogo satisfaz as necessidades de projeto. D H.. λ 2. = 4 π 3.E 64S F a Em que: λ comprimento livre de flambagem cm; E módulo de elásticidade do aço (módulo de Young) 2, N/cm 2 ; F a força de avanço (F p.φ) N; S coeficiente de segurança (3,5 5).

28 EXERCÍCIO EXEMPLO A figura a seguir representa a mesa de um dispositivo, que é movimentado por deslizamento sobre prismas lubrificados, perfazendo um deslocamento total de 100 cm. Dimensiornar o atuador pneumático comercial, utilizando a Tabela FESTO ( consideranto a situação de montagem com as 2 extremidades articuladas. Verificar pelo crutério de EULER qual o diâmetro mínimo de haste necessário para esse atuador. Considerando a força executada pela mesa no projeto é de 150 kgf e a pressão de trabalho de 6 kgf/cm 2.

29 ,5 D = P π. 6 D =6,9cm= 69mm P Analisando a tabela abaixo retirada so site da FESTO, e tomando como base o modelo ADN, temos o diâmetro de pistão de 80 mm como referência, porem agora faz necessário encontrar qual o diâmetro minímo da hasta para que não ocorra a flabagem. D D Calculando o diâmetro mínimo (S = 3,5), temos: H H ( cm). ( ,5NN ) 64.3,5. = N π.2.10 cm = 1,688cm= 16,88mm 2

30 Conclui-se que o atuador modelo ADN da FESTO deve ter um D P = 80 mm e D H = 20 mm que irá satisfazer perfeitamente com segurança a necessidade do projeto.