IFBA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SANTO AMARO CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA

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1 IFBA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SANTO AMARO CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA Projeto e execução de um sistema eletrohidráulico em substituição a um sistema puramente mecânico Allison Souza Vaz dos Santos Ivana Oliveira Nascimento Rodrigo Lopes Oliveira SANTO AMARO-BA Julho de 2009

2 IFBA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA SANTO AMARO CURSO TÉCNICO EM ELETROMECÂNICA Relatório Final do Projeto Integrador 4º Módulo Projeto e execução de um sistema eletrohidráulico em substituição a um sistema puramente mecânico Allison Souza Vaz dos Santos Ivana Oliveira Nascimento Rodrigo Lopes Oliveira Relatório elaborado como parte das exigências para a conclusão do Projeto Integrador do Curso de Eletromecânica do IFBA Santo Amaro, sob a orientação do professor Marcio Gomes. SANTO AMARO-BA Julho de 2009

3 FOLHA DE APROVAÇÃO Nomes dos Autores e Matrícula: 1. Allison Souza Vaz dos Santos Matrícula: Ivana Oliveira Nascimento Matrícula: Rodrigo Lopes Oliveira Matrícula: Título do Trabalho: Projeto e execução de um sistema eletrohidráulico em substituição a um sistema puramente mecânico Banca Examinadora: Márcio Rodrigues Gomes Prof. Orientador Antonio Luiz Aguiar Prof. da Disciplina Projeto Integrador Prof. Marcos Antônio Ramos Andrade SANTO AMARO BA Aprovado em: / /

4 DEDICATÓRIA Dedicamos este trabalho primeiramente a Deus por ter nos guiado nessa grande caminhada e também os nossos pais que nos incentivou estando todo tempo ao nosso lado. 2

5 AGRADECIMENTOS Agradecemos primeiramente a Deus, depois aos nossos familiares que sempre nos estimularam aos professores pela dedicada contribuição e amigos pelas palavras de incentivo dedicadas a todos nós. 3

6 RESUMO O presente projeto refere-se ao desenvolvimento de um sistema eletrohidraúlico para acionar uma prensa hidráulica acionada manualmente através de um programa computadorizado capaz de simular os aspectos de funcionamento. Devido à peculiar concepção mecânica da prensa, baixa produtividade, competitividade e aumento dos esforços humanos, a utilização de um sistema eletrohidraúlico oferece muitas vantagens como: maior produtividade, competitividade e menor esforço humano. Palavras-Chave: Sistema hidráulico Prensa Elétrico 4

7 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura Princípio de Pascal Figura Manômetro de Bourbon Figura Filtros hidráulicos Figura Representa as bombas hidráulicas Figura Atuador hidráulico Figura Válvulas de controle direcional Figura 2.7 a) posições; b) vias Figura 2.8 Tipos de vias Figura 2.9 Passagem e bloqueio Figura Válvula direcional Figura 2.11 Solenóide Figura Solenóide energizado Figura Prensa manual Figura Prensa manual Figura 5. 1 Circuito elétrico Figura Circuito eletrohidráulico

8 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS CC: corrente contínua CA: corrente alternada LISTA DE SÍMBOLOS E NOTAÇÕES P: Pressão F: Força A: Área mm: Milímetro l: largura V: tensão, em volt R: resistência, em ohm I: corrente, em ampère 6

9 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FUNDAMENTOS TEÓRICOS Princípios da hidráulica Seleções dos componentes e equipamentos do sistema hidráulico Descrições dos componentes e equipamentos do sistema hidráulico DESCRIÇÃO DA PRENSA MANUAL Funcionamento da prensa manual Componentes da prensa manual FUNDAMENTOS DA ELETRICIDADE Seleção dos componentes e equipamentos do sistema elétrico Descrição dos componentes e equipamentos do sistema elétrico SIMULAÇÃO DO CIRCUITO ELÉTRICO SIMULAÇÃO DO SISTEMA ELETROHIDRÁULICO ANÁLISE DOS RESULTADOS CONCLUSÕES REFERÊNCIAS ANEXOS... ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. 7

10 1. INTRODUÇÃO Muitas máquinas e processos diferentes utilizam um fluido para desenvolver uma força, para mover ou sujeitar um objeto, ou para controlar uma ação. Acreditando que a prensa acionada manualmente tem como problema maior a limitação da produtividade, assim o projeto proposto tem como objetivo facilitar o trabalho dos operadores de uma prensa manual tornando esse processo eletrohidráulico, para possibilitar ao homem o aprimoramento nos processos produtivos e na busca da qualidade. Esperamos que ao implantarmos o sistema eletrohidráulico na prensa em questão, possamos assim beneficiar os operadores e a empresa, de forma a aumentar a produtividade e a qualidade, diminuindo os custos e o esforço humano, tornando o processo mais prático e lucrativo. O objetivo principal deste trabalho é projetar um sistema eletrohidráulico para substituir o sistema de uma prensa manual. Especificamente, o trabalho terá como metas o seguinte: 1. Analisar a prensa manual para saber sua capacidade de trabalho, dimensões e funcionamento. 2. Especificar os dispositivos usados no sistema hidráulico. 3. Testar o sistema hidráulico através da simulação no Fluidsim. 4. Projetar o diagrama esquemático do circuito elétrico. 5. Simular o circuito elétrico no Fluidsim. 6. Simular o circuito eletrohidráulico no Fluidsim. 8

11 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1 Princípios da hidráulica Blaise Pascal que estabeleceu o princípio físico da hidrostática diz: Em um líquido em repouso ou equilíbrio as variações de pressão transmitem-se igualmente e sem perdas para os pontos da massa liquida. Uma aplicação desse princípio é a prensa hidráulica. Figura Princípio de Pascal. A Figura 2.1 representa o princípio de Pascal. Como pode ser visualizado na imagem, o sistema constitui-se de um tubo em U no qual aplicamos uma força F 2 sobre uma área A 1, o que gera uma pressão P 1 no líquido. Essa pressão é transmitida integralmente para a outra extremidade do tubo que, por sua vez, tem uma área A 2 muito maior que A 1. A mesma pressão, 9

12 aplicada sobre uma área bem maior, exercerá uma força F 2 bem maior que F 1. A equação seguinte representa o princípio de Pascal: F = A P (2-1) Tem-se, portanto, um mecanismo eficaz de aumento da força aplicada. Basta construir dispositivo com área, na outra extremidade, bem maior do que a como pode ser visualizado na Figura Seleções dos componentes e equipamentos do sistema hidráulico 1. Manômetro; 2. Filtro; 3. Bomba; 4. Atuadores; 5. Válvulas de controle direcional 4/3 vias acionada por solenóide; 6. Válvula redutora de pressão; 7. Válvulas de retenção duplamente pilotadas 8. Válvula controladora de vazão; 2.3 Descrições dos componentes e equipamentos do sistema hidráulico O manômetro é um aparelho que mede um diferencial de pressão. Dois tipos de manômetros são utilizados nos sistemas hidráulicos: o de Bourbon e o de núcleo móvel. Manômetro de Bourbon O manômetro utilizado é o de tubo de Bourbon ele consiste de uma escala calibrada em unidades de pressão e de um ponteiro ligado, através de um mecanismo, a um tubo oval, em forma de "C". Esse tubo é ligado à pressão a ser medida. 10

13 Figura Manômetro de Bourbon Filtros Hidráulicos As partículas de sujeira podem fazer com que máquinas caras e grandes falhem por isso a necessidade do filtro. Os elementos do filtro forçam o fluido a passar através de uma espessura apreciável de várias camadas de material. A contaminação é retida por causa do entrelaçamento das fibras e a conseqüente trajetória irregular que o fluido deve tomar. Figura Filtros hidráulicos Bombas Hidráulicas As bombas hidráulicas convertem a energia mecânica transmitida pelo acionador principal (motor elétrico, motor de combustão interna), em energia de trabalho hidráulico. 11

14 A ação de bombeamento é a mesma para cada bomba. Todas as bombas geram um volume crescente no lado da pressão. A bomba utilizada é a de engrenagem que consiste basicamente de uma carcaça com orifícios de entrada e de saída, e de um mecanismo de bombeamento composto de duas engrenagens. Uma das engrenagens, a engrenagem motora, é ligada a um eixo que é conectado a um elemento acionador principal. A outra engrenagem é a engrenagem movida Seu funcionamento acontece no lado da entrada onde os dentes das engrenagens desengrenam, o fluido entra na bomba, sendo conduzido pelo espaço existente entre os dentes e a carcaça, para o lado da saída onde os dentes das engrenagens engrenam e forçam o fluido para fora do sistema. Figura Representa as bombas hidráulicas Atuadores Os atuadores hidráulicos convertem a energia de trabalho em energia mecânica. Eles constituem os pontos onde toda a atividade visível ocorre, e é uma das principais coisas a serem consideradas no projeto da máquina. Figura Atuador hidráulico Cilindros hidráulicos transformam trabalho hidráulico em energia mecânica linear, a qual é aplicada a um objeto resistivo para realizar trabalho. Um cilindro consiste de uma camisa de cilindro, de um pistão móvel e de uma haste ligada ao 12

15 pistão. Os cabeçotes são presos ao cilindro por meio de roscas, prendedores, tirantes ou solda. No projeto foram usados os seguintes cilindros: Cilindro de dupla ação - Um cilindro no qual a pressão do fluido é aplicada ao elemento móvel em qualquer uma das direções. Cilindro de dupla ação com amortecimento de fim de curso Quando a energia de trabalho hidráulica que está movendo um cilindro encontra um obstáculo (como o final de curso do pistão), a inércia do liquido do sistema é transformada em choque ou batida, denominada de choque hidráulico. Se uma quantidade substancial de energia é estancada, o choque pode causar dano ao cilindro. Para proteger os cilindros contra choques excessivos, os mesmos podem ser protegidos por amortecimentos. O amortecimento diminui o movimento do cilindro antes que chegue ao fim do curso. Os amortecimentos podem ser instalados em ambos os lados de um cilindro. Um amortecimento consiste de uma válvula de agulha de fluxo e de um plugue ligado ao pistão. O plugue de amortecimento pode estar no lado da haste (nesta posição ele é chamado de colar), ou pode estar no lado traseiro (onde é chamado de batente de amortecimento). Conforme o pistão do cilindro se aproxima do seu fim de curso, o batente bloqueia a saída normal do liquido e obriga o fluido a passar pela válvula controle de vazão. Nesta altura, algum fluxo escapa pela válvula de alivio de acordo com a sua regulagem. O fluido restante adiante do pistão é expelido através da válvula. A abertura da válvula de controle de vazão determina a taxa de desaceleração. Na direção inversa, o fluxo passa pela linha de by-pass da válvula de controle de vazão onde está a válvula de retenção ligada ao cilindro. Como regra geral, os amortecimentos são em cilindros cuja velocidade da haste exceda a 600 cm/min. 13

16 Válvulas de Controle Direcional As válvulas de controle direcional consistem de um corpo com passagens internas que são conectadas e desconectadas por uma parte móvel. Nas válvulas direcionais, e na maior parte das válvulas hidráulicas industriais, conforme já vimos, a parte móvel é o carretel. As válvulas de carretel são os tipos mais comuns de válvulas direcionais usados em hidráulica industrial. Figura 2.6. Figura Válvulas de controle direcional. As válvulas de controle direcional são representadas nos circuitos hidráulicos através de símbolos gráficos. Para identificação da simbologia devemos considerar: Número de posições Número de vias Posição normal Tipo de acionamento Número de Posições Devemos saber que uma válvula de controle direcional possui no mínimo dois quadrados, ou seja, realiza no mínimo duas manobras. Figura 2.7a. Número de Vias O número de vias de uma válvula de controle direcional corresponde ao número de conexões úteis que uma válvula pode possuir. Figura 2.7b. 14

17 02 posições 03 posições 02 vias 03 vias 04 vias Figura 2.7 a) posições; b) vias. Nos quadrados representativos de posição (Figura 2.8) podemos encontrar vias de passagem, vias de bloqueio ou a combinação de ambas. Passagem bloqueio Ambas Ambas Figura 2.8 Tipos de vias Para fácil compreensão do número de vias de uma válvula de controle direcional podemos também considerar que: Figura 2.9 Passagem e bloqueio A válvula direcional em questão é a de 4/3 Vias. Ela tem a função de causar o movimento de reversão de um cilindro ou de um motor hidráulico. Para desempenhar esta função, o carretel dirige o fluxo de passagem da bomba para uma passagem do atuador quando ele está em uma posição extrema. Ao mesmo 15

18 tempo, o carretel é posicionado para que a outra passagem do atuador seja descarregada para o tanque. Figura Válvula direcional Um dos meios mais comuns de operação de uma válvula direcional é por solenóide. Um solenóide é um dispositivo elétrico que consiste basicamente de um induzido, uma carcaça C e uma bobina. A bobina é enrolada dentro da carcaça C. O carretel fica livre para se movimentar dentro da bobina. Figura 2.11 Solenóide Seu funcionamento ocorre quando uma corrente elétrica passa pela bobina, gera-se um campo magnético. Este campo magnético atrai o induzido e o empurra para dentro da bobina. Enquanto o induzido entra na bobina, ele fica em contato com um pino acionador e desloca o carretel da válvula direcional para uma posição extrema. Figura Solenóide energizado 16

19 Válvula Redutora de Pressão A válvula redutora de pressão é uma válvula de controle de pressão normalmente aberta. Uma válvula redutora de pressão opera sentindo a pressão do fluido depois de sua via através da válvula. A pressão nestas condições é igual à pressão ajustada da válvula, e o carretel fica parcialmente fechado, restringindo o fluxo. Esta restrição transforma todo o excesso de energia de pressão, adiante da válvula, em calor. Se cair a pressão depois da válvula, o carretel se abrirá e permitirá que a pressão aumente novamente. A válvula de Retenção utilizada foi a duplamente pilotada duplamente pilotada. Essas válvulas de retenção são aparentemente pequenas quando comparadas a outros componentes hidráulicos, mas elas são componentes que servem a funções muito variadas e importantes. Uma válvula de retenção consiste basicamente do corpo da válvula, vias de entrada e saída e de um assento móvel que é preso por uma mola de pressão. O assento móvel pode ser um disco ou uma esfera, mas nos sistemas hidráulicos, na maioria das vezes, é uma esfera. A fluido passa pela válvula somente em uma direção. Quando a pressão do sistema na entrada da válvula é muito alta, o suficiente para vencer a mola que segura o assento, este é deslocado para trás. O fluxo passa através da válvula. Isso é conhecido como fluxo direcional livre da válvula de retenção. Esta válvula caracteriza em sua construção, na montagem em conjunto, por duas válvulas de retenção operadas por piloto em uma única carcaça, sendo que o pistão trabalha entre duas retenções simples. Figura 2.13 Válvula redutora de pressão duplamente pilotada. 17

20 Válvulas Controladoras de Vazão A função da válvula controladora de vazão é a de reduzir o fluxo da bomba em uma linha do circuito. Ela desempenha a sua função por ser uma restrição maior que a normal no sistema. Figura válvulas controladoras de vazão 18

21 3. DESCRIÇÃO DA PRENSA MANUAL A prensa manual é uma máquina que através da força de pressão pode dar forma, cortar, separar, comprimir, esmagar as mais diferentes variedades de materiais. Segundo a sua força de energia motora podemos distingui-la como: excêntrica, fricção, mecânica, hidráulica, hidráulica a quente, prensa rápida, pneumática, a vapor etc. A prensa em analise é designada Ribeiro, a energia motora é manual e hidráulica, e, tem capacidade de 15 toneladas. Com está unidade pretende-se desenvolver força estática. Dispõe-se de um curso útil do pistão de 125 mm, altura total de 1380 mm, largura de 600 mm, largura entre colunas de 470 mm, distância mínima de 60 mm. Figura Prensa manual. 19

22 3.1. Funcionamento da prensa manual O funcionamento da prensa manual baseia-se nas seguintes operações: 1-Movimentação da mesa primeiro, retira-se os pinos de ferro que prendem a mesa da prensa, permitindo a regulagem da sua altura através de um cabo de aço preso à manivela. Depois de regulada, introduz-se os pinos novamente e trava-se a mesa na posição desejada. Coloca-se o material a ser prensado entre a mesa e o cilindro. Através de um acionamento manual na barra de acionamento, a haste do pistão do cilindro descerá e o material será prensado. 20

23 3.2. Componentes da prensa manual Barra de acionamento Manômetro Manivela Cilindro Pistão M e s a Pino de ferro Figura Prensa manual 21

24 4. FUNDAMENTOS DA ELETRICIDADE A eletricidade tem sido um caminho usado pelo homem para lhe proporcionar benefícios no dia-a-dia. Podemos notar que a sua transformação, como uma forma de energia em outros tipos de energia, tem trazido grandes vantagens. Entretanto, ela precisa ser muito bem conhecida para poder ser usufruída em sua forma completa, sem oferecer perigo ao usuário. A lei de ohm é provavelmente a mais importante no estudo da eletricidade, isto porque ela relaciona diretamente tensão, corrente e resistência. Pode ser aplicada em qualquer circuito CC (corrente continua) e até mesmo em AC (corrente alternada). A lei de ohm é assim expressa: V R I (4-1) Onde: V: tensão em volt R: resistência em ohm I: corrente em ampare O circuito elétrico será o ponto mais importante para a realização deste projeto, ao ser integrado ao sistema hidráulico poderá ser acionado através de uma solenóide, que comandará o acionamento do circuito. 22

25 4.1. Seleção dos componentes e equipamentos do sistema elétrico 1. Quatro botoeiras normalmente abertas (NA) 2. Fonte de tensão de 24 v 3. Quatro solenóides 4.2. Descrição dos componentes e equipamentos do sistema elétrico. Botoeiras normalmente abertas Elementos de comutação destinados a permitir a energização ou desenergização entre um ou mais pontos de um circuito. A botoeira utilizada para acionar o circuito foi o botão Flip-Flop, pois uma vez acionado seu retorno à condição anterior somente se processará através de um novo esforço. Fonte de tensão A fonte de tensão é o lugar onde tais dispositivos buscam essa energia que proporciona seu funcionamento. Dentre os diversos tipos de fontes de tensão iremos usar em nosso projeto a continua (CC). Ela pode ser utilizada em processos químicos, como as baterias de carro e pilhas, ou proveniente da retificação da tensão alternada, ou seja, conversão da tensão alternada em contínua por meio de componentes eletrônicos, os diodos. Solenóide Um solenóide é um dispositivo elétrico que consiste basicamente de um induzido, uma carcaça C e uma bobina. A bobina é enrolada dentro da carcaça C. O carretel fica livre para se movimentar dentro da bobina. 23

26 5. SIMULAÇÃO DO CIRCUITO ELÉTRICO Através de uma fonte de tensão de 24 v o circuito elétrico de comando energiza as bobinas dos solenóides. Ao acionar b1 (botoeira) é energizada a bobina do solenóide (A1). Acionando b2 energiza-se a bobina do solenóide (A2). Apertando-se b3 energiza-se a bobina do solenóide (BC1). Apertando-se b4 energiza-se a bobina do solenóide (BC2). Figura 5. 1 Circuito elétrico. 24

27 6. SIMULAÇÃO DO SISTEMA ELETROHIDRÁULICO A solução desenvolvida encontra-se representada na figura 6-2. Esta solução é baseada num atuador (cilíndrico) principal (A) e num conjunto de dois auxiliares (BC) que, do ponto de vista funcional, podem ser encarados como um único. O cilindro principal é responsável pela realização da força necessária do corte ou deformação, enquanto que o conjunto dos cilindros auxiliares tem capacidade para movimentar a mesa da prensa. Ao acionar b1 energiza-se a bobina do solenóide (A1), o atuador (A) funciona com a pressão e velocidade controlada. Este atuador pode ser neutralizado através do b1,que ao ser desacionado a válvula direcional voltará à sua posição original. Ao apertar b2 energiza-se a bobina do solenóide (A2),o atuador (A) voltará com velocidade normal. A movimentação da mesa depende dos atuadores auxiliares, que por sua vez são dependentes de b3 que ao acionar a bobina do solenóide (BC1) os atuadores (BC) avançam simultaneamente com velocidade controlada, ao ser desacionado o b3 os atuadores (BC) param em qualquer posição. Acionando-se b4 energiza-se a bobina do solenóide (BC2), os atuadores retornam simultaneamente com velocidade normal. 25

28 Figura Circuito eletrohidráulico 26

29 7. ANÁLISE DOS RESULTADOS Conforme mencionado na introdução o procedimento denominado consiste na substituição de um sistema manual de uma prensa por um sistema eletrohidráulico, cuja função envolve a utilização de uma tecnologia mais avançada visando beneficiar os trabalhadores minimizando o seu esforço físico. Para fazermos essa analise foi necessário um estudo do problema, pesando nas melhores formas em que poderíamos obter soluções para realizar esse projeto. Essas soluções foram baseadas principalmente em pesquisas feitas sobre os componentes do sistema hidráulico, elétrico e nas simulações. Esses passos foram importantes para chegarmos ao foco do projeto e assim conseguirmos realizar de forma satisfatória a substituição do sistema manual em uma prensa por um sistema eletrohidráulico. As simulações têm por finalidade a representação de sistemas característicos, de alto custo de construção e difícil observação. Deste modo, a confirmação do sucesso de uma simulação, revela-se muito importante para a execução de um projeto com uma margem de erro muito pequena. Considerando a dificuldade para se estabelecer modelos modernizados de sistemas eletrohidráulicos em condições muito próximas das reais, a utilização da simulação nesse trabalho foi de fundamental importância, pois possibilitou a confirmação de que a implementação da mudança proposta é viável. A alteração na estrutura atual da prensa mudará o seu nível inferior que deixará de ser básica para possibilitar ao utilizador uma maior eficiência, produtividade e um menor desgaste físico. 27

30 8. CONCLUSÕES Completadas as fases de desenvolvimento pôde se verificar que os objetivos determinados para este trabalho foram alcançados na íntegra. Através da inclusão de um sistema eletrohidráulico numa prensa com sistema manual é possível aumentar a eficiência, produtividade, funcionalidade e organização do trabalho em função do fim proposto e das condições do homem em seu trabalho. 28

31 REFERÊNCIAS [1] STEWART, L. Harry. Pneumática e Hidráulica. 3 edição, Hemus editora limitada. Mht. [2] Disponível em: _ E:\Mecânica (Básico) Princípio de Pascal e - física. [3] IFBA, Instituto Federal de Ciências e Tecnologia da Bahia. Apostila de hidráulica.versão 1.0,2009. [4] Software de simulação FLUIDSIM Festo Didatic. 29