UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS EM COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO-CECAU

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS EM COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO-CECAU ELEMENTOS DE PNEUMÁTICA E AUTOMAÇÃO, CLASSIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE ATUADORES: APLICAÇÃO AO CASO DE PLATAFORMAS DE EMBARQUE DE DEFICIENTES FÍSICOS EM VEÍCULOS DO TRANSPORTE URBANO COLETIVO MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO ROMULO RODRIGUES DE FARIA Ouro Preto, 2007

2 AUTOR ROMULO RODRIGUES DE FARIA ELEMENTOS DE PNEUMÁTICA E AUTOMAÇÃO, CLASSIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE ATUADORES: APLICAÇÃO AO CASO DE PLATAFORMAS DE EMBARQUE DE DEFICIENTES FÍSICOS EM VEÍCULOS DO TRANSPORTE URBANO COLETIVO Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção de Grau de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Prof. Dr. Luiz Joaquim Cardoso Rocha Co-orientador: Prof. Dr. Milton Realino de Paula Ouro Preto Escola de Minas - UFOP Abril/ 2007

3 II Monografia defendida e aprovada, em 11 de Abril de 2007, pela comissão avaliadora constituída pelos professores: Prof. Dr. Luiz Joaquim Cardoso Rocha Prof. Dr. Henor Artur de Souza Prof. Dr. Milton Realino de Paula

4 III AGRADECIMENTOS A Deus pela dádiva da vida, por estar sempre presente em meu caminho e por me dar forças e coragem para sobrepor os desafios do dia-a-dia. Aos meus amados pais Romeu e Terezinha pelo exemplo de vida, dedicação e empenho. Por prover-me as condições necessárias nesses anos de estudos e para a realização deste trabalho; e por muitas vezes abdicarem aos seus próprios sonhos para que os meus se tornassem possíveis de serem realizados. À minha irmã e a toda minha família pelo incentivo constante e por nunca terem deixado que o desânimo tomasse conta de minha pessoa. Aos professores Luiz Joaquim e Milton Realino pela orientação e por serem uma referência na realização deste trabalho. Aos irmãos da República Pureza por muitas horas abdicarem ao uso do computador, mesmo quando isso era necessário, para que a realização deste trabalho fosse possível. Pelos anos de convivência, pela amizade e companheirismo, pelos momentos de risos e de tristezas, muito mais momentos de alegria, é verdade. E por ao longo desse tempo terem me tornado uma pessoa melhor. VALEU DEMAIS GALERA!!! Aos amigos do curso pelas risadas, pelas brincadeiras, pelas ferrações nas madrugadas e por encararem juntos os desafios da Engenharia. Pelo incentivo constante e por muitas vezes terem me carregado nas costas. A todos os professores por sempre se esfoçarem ao máximo para que nós alunos evoluíssemos cada vez mais e por sempre estarem dispostos a repassar seus conhecimentos. Aos funcionários da Universidade por tornarem mais acolhedor o local onde muitas vezes eu passei a maior parte dos meus dias. A todos vocês, O MEU MUITO OBRIGADO!!!

5 IV SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS...VII LISTA DE TABELAS...X I - INTRODUÇÃO O que é pneumática? Classificação dos grupos de pneumática Pneumática de baixa pressão Pneumática de pressão normal Pneumática de pressão alta O que é um circuito eletropneumático automatizado? Características físicas do ar comprimido Vantagens e limitações do uso do ar comprimido Vantagens do uso do ar comprimido Limitações do uso do ar comprimido...6 II PRODUÇÃO, TRATAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO Compressores Compressores de deslocamento positivo Compressores alternativos Compressores rotativos Compressores rotativos de parafusos Compressores rotativos de palhetas Compressor roots Compressores de deslocamento dinâmico Compressor dinâmico de fluxo radial Compressor dinâmico de fluxo axial A escolha do tipo de compressor a ser usado Equipamentos destinados ao tratamento do ar comprimido Resfriador posterior Filtros de ar comprimido...22

6 V Secadores de ar comprimido Secagem por refrigeração Secagem por absorção Secagem por adsorção Unidade de condicionamento de ar comprimido Reservatório Redes de distribuição de ar comprimido...30 III - ELEMENTOS DE UM CIRCUITO ELETROPNEUMÁTICO AUTOMATIZADO Elementos de sinal Sensores magnéticos Sensores óticos Sensores indutivos Sensores barométricos Botoeiras Chaves fim de curso Elementos de trabalho Elementos de comando Válvulas de controle direcional Válvulas de bloqueio Válvula de retenção Válvula de escape rápido Válvula de isolamento ou elemento OU Válvula de simultaneidade ou elemento E Válvulas de controle de fluxo Válvulas de controle de fluxo unidirecional Válvulas de controle de fluxo bidirecional Válvulas de controle de pressão Elementos de controle Os PLC s...54 IV - CLASSIFICAÇÃO DOS ATUADORES PNEUMÁTICOS Cilindros pneumáticos...56

7 VI Cilindro de simples efeito ou simples ação Cilindro de duplo efeito ou dupla ação Cilindro de dupla ação com haste dupla Cilindro duplex contínuo ou tandem Cilindro duplex geminado ou de múltiplas posições Cilindro de impacto Cilindros com amortecimentos Cilindros sem haste Motores a ar comprimido ou motores pneumáticos Motores de pistão Motor de palhetas Motores de engrenagem Turbomotores ou turbinas Características gerais dos motores pneumáticos Osciladores pneumáticos...70 V - DIMENSINAMENTO DO CONJUNTO CILINDRO E VÁLVULA...72 VI - APLICAÇÃO AO CASO DAS PLATAFORMAS DE EMBARQUE Dimensionamento do atuador linear Simulação dos resultados com o uso do software FluidSim P Considerações finais em relação ao caso das plataformas de embarque...92 VII CONCLUSÃO...93 VII REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...94 ANEXO A - TABELA DE SELEÇÃO DOS CILINDROS DA SÉRIE ANEXO B - DIAGRAMAS ELETRO-HIDRÁULICOS DOS MODELOS DAS PLATAFORMAS DE EMBARQUE MKS 250 PDO E MKS 300 PDO...- ANEXO C - SIMBOLOGIA PNEUMÁTICA...-

8 VII LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Gráfico do campo de aplicação da tecnologia pneumática...1 Figura 1.2 Exemplo de um sistema de eletropneumático automatizado...3 Figura 1.3 Exemplo prático de expansibilidade...5 Figura 2.1 Fonte de ar comprimido, incluindo produção e distribuição...7 Figura 2.2 Gráfico da umidade relativa do ar...8 Figura Classificação dos compressores...9 Figura 2.4 Princípio de funcionamento de um compressor alternativo...10 Figura 2.5 Compressores alternativos de simples e de duplo efeito...11 Figura 2.6 Compressor rotativo de duplo parafuso...13 Figura 2.7 Compressor rotativo de palhetas...14 Figura 2.8 Compressor roots...15 Figura 2.9 Compressor dinâmico com fluxo radial com 3 estágios...16 Figura 2.10 Compressor dinâmico de fluxo radial...17 Figura 2.11 Fotografia tirada na oficina de reparo de turbinas da PETROBRÁS...18 Figura 2.12 Produção de ar comprimido em função da pressão...19 Figura 2.13 Seqüência de equipamentos recomendados pela ISO Figura 2.14 Resfriador posterior...21 Figura 2.15 Filtro de ar comprimido...22 Figura 2.16 Secagem do ar por refrigeração...24 Figura 2.17 Secagem por absorção...25 Figura 2.18 Secagem por adsorção...27 Figura 2.19 Unidade de condicionamento de ar comprimido...28 Figura 2.20 Reservatório de ar comprimido e seus componentes...29 Figura 2.21 Redes de distribuição de ar comprimido...31 Figura 2.22 Parte de uma rede de ar comprimido com inclinação...32 Figura 3.1 Ilustração de um sensor magnético...35 Figura 3.2 Sensor magnético instalado em um cilindro...35 Figura 3.3 Sensor ótico de barreira...36 Figura 3.4 Sensor ótico reflexivo...37

9 VIII Figura 3.5 Sensor ótico retro-reflexivo...37 Figura 3.6 Foto de um sensor indutivo...38 Figura 3.7 Sensor barométrico...38 Figura 3.8 Fotos dos dois tipos botoeiras...39 Figura 3.9 Chave fim de curso acionada por rolete mecânico...40 Figura 3.10 Acionamentos musculares...45 Figura 3.11 Tipos de acionamentos mecânicos...45 Figura 3.12 Tipos de acionamentos pneumáticos...46 Figura 3.13 Válvula de retenção com mola...47 Figura 3.14 Construção de uma válvula de escape rápido...48 Figura 3.15 Válvula de isolamento ou elemento OU...49 Figura Válvula de simultaneidade ou elemento E...50 Figura 3.17 Válvula de controle de fluxo unidirecional...51 Figura 3.18 Válvula de controle de fluxo bidirecional...52 Figura 3.19 Válvula de alívio...53 Figura 3.20 Diagrama de funcionamento de um PLC...55 Figura 4.1 Cilindros pneumáticos de simples ação...58 Figura Cilindro de simples ação comandado por uma válvula direcional...58 Figura 4.3 Cilindro de dupla ação...59 Figura 4.4 Exemplo de cilindros de dupla ação comandados por válvulas...60 Figura 4.5 Cilindro pneumático de dupla ação com haste dupla...61 Figura 4.6 Cilindro pneumático duplex contínuo ou tandem...61 Figura 4.7 Cilindro pneumático geminado duplex ou de múltiplas posições...62 Figura 4.8 Cilindro de impacto...63 Figura 4.9 Cilindro com amortecimentos...64 Figura 4.10 Cilindro sem haste...65 Figura 4.11 Motores pneumáticos de pistão...67 Figura 4.12 Princípio de funcionamento do motor pneumático de palhetas...68 Figura 4.13 Motor pneumático de engrenagens...69 Figura 4.14 Exemplo construtivo de turbomotor...69 Figura 4.15 Osciladores pneumáticos...71 Figura 5.1 Seção transversal de uma válvula direcional...73 Figura 5.2 Circuito com cilindro e válvula direcional...75

10 IX Figura 6.1 Dimensões construtivas das plataformas...80 Figura 6.2 Seqüência de movimentos da plataforma...81 Figura 6.3 Tela principal do software FluidSim P...86 Figura 6.4 Parâmetros de configuração do cilindro...87 Figura 6.5 Segunda tela de configuração do cilindro...88 Figura 6.6 Terceira tela de configuração do cilindro...88 Figura 6.7 Configuração da válvula direcional...89 Figura 6.8 Configuração do compressor...90 Figura 6.9 Avanço do cilindro com a velocidade de projeto...90 Figura 6.10 Amortecimento no fim de curso...91

11 X LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Classes de qualidade do ar comprimido segundo a Norma ISO Tabela 2.3 Perdas com vazamentos de ar nas tubulações...32 Tabela 3.1 Características funcionais dos tipos de sensores citados...34 Tabela 3.2 Símbolos utilizados para indicar a utilização da via...43 Tabela 3.3 Regras para identificação dos orifícios ou conexões de válvulas...44 Tabela 4.1 Classificação dos atuadores pneumáticos rotativos...66 Tabela 4.2 Especificações de alguns dos modelos de osciladores pneumáticos...71 Tabela 5.1 Simbologia de parâmetros e variáveis...73 Tabela 6.1 Diâmetros comerciais de cilindros pneumáticos...83 Tabela 6.2 Escolha do coeficiente de montagem da haste...84 Tabela 6.3 Parte da tabela de seleção do valor de Tp...85 Tabela 6.4 Diâmetro da haste...85

12 XI RESUMO Esta pesquisa destina-se ao estudo dos elementos relacionados à tecnologia pneumática, tecnologia esta que vem cada vez mais apresentando aplicabilidade em termos industriais. Tarefas tais como a mudança de peças em correias transportadoras, elevação de peças, estampagem e curvatura de placas metálicas, se tornam muito mais fáceis de serem realizadas com o uso de um circuito eletropneumático automatizado, além de apresentarem a vantagem de um menor contato do operador com a máquina, possibilitando assim, dentre outras vantagens, uma redução no número de acidentes. Para tal, aborda-se neste trabalho não só a utilização do ar comprimido pelos atuadores pneumáticos, que são os equipamentos destinados a converter a energia pneumática contido no ar comprimido em energia mecânica; a produção, tratamento e distribuição do ar comprimido também é tema de relevância, bem como também a discussão em relação a uma possível montagem eletropneumática das plataformas de embarque de deficientes físicos nos veículos do transporte urbano coletivo, montagem esta que hoje em dia se faz por meio da tecnologia eletro-hidráulica.

13 XII ABSTRACT This article presents a study of the related elements of the pneumatic technology that comes presenting a big industrial applicability. Works, such as the change of parts in transporting leather straps, rise of parts, stamping and bending of metallic plates, if become easier to be carried through with the use of an automatized eletropneumatic circuit, beyond presenting the advantage of a lesser contact of the operator with the machine, reducing the number of accidents. For such, this article approached is not only the use of compressed air for the pneumacic actuators, that are the equipments destined to convert the pneumatic energy contained into the air compressed in energy mechanics; the production, treatment and distribution of compressed air also are relevance subject, as well as also the quarrel in about a possible eletropneumatic assembly of the platforms of embarkment of physicists deficient in the vehicles of the collective urban transport, assembly this that nowadays becomes by means of the electrohydraulic technology.

14 1 I. INTRODUÇÃO 1.1 O que é pneumática? Conforme proposto pela norma ISO 5598 do ano de 1985, que se refere a sistemas e componentes hidráulicos e pneumáticos, mais precisamente sobre suas terminologias, pneumática é a ciência ou a tecnologia que trata do uso do ar ou dos gases neutros como meio de transmissão de potência. No caso deste trabalho em especial, o gás estudado será o ar comprimido. Tal fluido será responsável por transmitir energia pneumática aos atuadores, fazendo assim com que estes possam convertê-la em trabalho mecânico ou torque, como será melhor detalhado mais adiante neste estudo. O campo de aplicação da pneumática é bastante vasto, estando esta tecnologia presente em praticamente todos os setores de uma fábrica e nos mais diversos segmentos da indústria (BELAN, 2005). A Figura 1.1 é um gráfico (força de atuação em Newton X velocidade de atuação em milímetros por segundo), do campo de aplicação da pneumática, comparado a outras tecnologias como a hidráulica, por exemplo. Figura Gráfico (força de atuação em Newton X velocidade de atuação em milímetros por segundo). Fonte: BELAN, 2005.

15 2 1.2 Classificação dos grupos de pneumática Devido a grande aplicabilidade da pneumática, conforme mencionado na seção anterior, convenciona-se delimitar o amplo campo de trabalho possível de ser realizado por meio do ar comprimido. Esta delimitação, ou melhor, a classificação dos grupos de pneumática acontece basicamente pela faixa ou nível de pressão a que está submetido um determinado sistema. Apenas como forma comparativa, assim como na eletricidade que estabelece três níveis básicos para a voltagem; a pneumática também possui níveis pré-definidos para a pressão, são eles: baixa pressão, pressão normal ou média pressão e alta pressão (REIS, 2004). Neste ponto, vale ressaltar que estes valores podem sofrer pequenas flutuações, de acordo com a fonte literária adotada Pneumática de baixa pressão É a parte da pneumática que engloba processos envolvendo níveis de pressão até, aproximadamente, 1,5 bar. Estão nesta categoria todos os sistemas para a execução de tarefas que não requerem a produção de um torque tão elevado Pneumática de pressão normal Engloba processos alimentados por pressões que estão na faixa entre 1,5 e 16 bar, é esta a faixa de valores de pressão mais utilizada em escala industrial, conhecida como pressão econômica.

16 Pneumática de pressão alta Engloba as aplicações especiais da pneumática. Não se trata mais aqui dos comandos utilizados na pneumática convencional, ou seja, em pressões que atingem valores de até 16 bar. É uma faixa de pressão que apresenta custo elevado de produção e é de difícil obtenção, sendo assim utilizada apenas em aplicações especiais. 1.3 O que é um sistema eletropneumático automatizado? Um sistema eletropneumático automatizado, como será detalhado no capítulo 3, é basicamente uma montagem na qual variáveis como abertura e fechamento de válvulas de controle, avanço e retorno de cilindros pneumáticos, dentre outras, são controladas com tempos pré-programados para a sua ocorrência, bem como a duração de tal acontecimento, (DE NEGRI, 2001). A figura 1.2 mostra um exemplo de um sistema eletropneumático automatizado de uma máquina embaladora. Figura 1.2 Exemplo de um sistema de automação empregando PLC e sua correlação com um sistema automático. 1- lugar para depósito de embalagens, 2- válvulas e cilindros, 3 sensores, 4 PLC. Fonte: DE NEGRI, 2001.

17 4 1.4 Características e propriedades físicas do ar O ar que se respiram é composto basicamente de Nitrogênio e Oxigênio, porém existem alguns outros gases diluídos nesta mistura. Mais precisamente, segundo a Norgren Herion Industrial, temos o ar atmosférico como sendo uma composição de 78,09% de Nitrogênio, 20,95% de Oxigênio, 0,93% de Argônio e 0,03% de outros gases. Apesar de o ar apresentar algumas características que em um primeiro momento o torne de uma difícil percepção, tais como o fato de ser insípido, inodoro e incolor, pode-se concluir que o ar tem existência concreta, ocupando lugar no espaço e possuindo propriedades físicas importantes, tais como compressibilidade, expansibilidade, elasticidade e difusibilidade (PARKER AUTOMATION, 2000). Pode-se dizer, de maneira resumida, que compressibilidade é a propriedade que o ar possui de reduzir o seu volume quando submetido à aplicação de forças opostas, de fora para dentro, ou seja, forças essas que provocam um aumento da pressão e uma conseqüente redução do volume ocupado por ele. Esta talvez seja para a Pneumática a propriedade física mais importante relacionada ao ar atmosférico, visto que, como será abordado mais adiante, é por meio da compressão do ar atmosférico que é gerada a energia pneumática, que posteriormente é convertida em transmissão de potência ou trabalho pelos atuadores. Em contrapartida, a expansibilidade pode ser definida como sendo uma propriedade oposta à compressibilidade, de maneira que esta é a propriedade que o ar apresenta de aumentar seu volume quando submetido à aplicação de forças externas, neste caso de dentro para fora. Porém este aumento de volume pode ocorrer até mesmo na ausência de aplicação de forças externas, como pode ser visto no exemplo prático apresentado na Figura 1.3, onde na situação inicial, a válvula intermediária está fechada, sendo ela aberta em seguida, possibilitando ao ar ocupar um volume maior em relação ao inicial. Elasticidade, como em outros materiais, é a propriedade que o ar possui quando submetido um determinado esforço, deformar-se, retornando ao seu estado inicial quando este esforço é cessado.

18 5 Figura 1.3 Exemplo prático de expansibilidade. Fonte: PARKER AUTOMATION, Já para o caso da difusibilidade, pode-se defini-la como sendo a capacidade do ar de quando colocado em presença de um outro meio gasoso qualquer, misturar-se a ele. Outra importante propriedade relacionada ao ar, ainda não citada, é a baixa viscosidade, ou seja, a resitência que o ar apresenta ao escoar. Quanto mais viscoso é um fluido, quanto mais grosso é ele, maior será sua viscosidade (WIKIPÉDIA, 2006). 1.5 Vantagens e limitações no uso do ar comprimido As vantagens e limitações no uso da pneumática são decorrentes basicamente de duas importantes propriedades físicas citadas acima, são elas: Compressibilidade; Baixa viscosidade.

19 Vantagens do uso do ar comprimido São apontadas como características vantajosas na utilização do ar comprimido e da tecnologia pneumática, dentre outras: O ar pode ser encontrado em quantidades ilimitadas em praticamente todos os lugares; É facilmente transportável por tubulações; O ar pode ser armazenado em reservatórios; Funcionamento seguro, mesmo quando exposto a variações na temperatura; Não apresenta perigo de explosão ou de incêndio; O ar comprimido é limpo, não poluindo o ambiente; O ar comprimido permite alcançar velocidades de trabalho relativamente altas; Limitações do uso do ar comprimido outras: São apontadas como desvantagens na utilização do ar comprimido, dentre O ar comprimido requer uma boa preparação, impurezas e umidade devem ser evitadas, pois provocam desgastes indesejados; Devido à alta compressibilidade do ar não é possível manter uniformes e constantes as velocidades dos pistões; Limitação das forças máximas de trabalho; O escape de ar é ruidoso; O ar comprimido é uma fonte de energia que possui um custo de produção elevado, apesar de o ar ser facilmente encontrado na natureza.

20 7 II. PRODUÇÃO, TRATAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DO AR COMPRIMIDO Como mencionado na seção 1.4, a compressibilidade do ar talvez seja sua propriedade física mais importante no que tange à pneumática. Será por meio da compressão do ar atmosférico que este adquirirá um aumento em sua energia interna, produzindo assim a energia pneumática que será utilizada no acionamento dos atuadores. O equipamento destinado a realizar esta compressão é denominado compressor. Compressores são equipamentos mecânicos destinados à realização do aumento da energia utilizável de gases como, por exemplo, o ar (SANTOS, 2006). Um sistema típico de produção, tratamento e distribuição de ar comprimido é mostrado na Figura 2.1, nele podemos observar, dentre outros, a presença de equipamentos tais como o reservatório, o resfriador posterior, o separador de condensado, o secador, além do compressor já mencionado. Figura 2.1 Fonte de ar comprimido, incluindo produção, distribuição e condicionamento. Fonte: DE NEGRI, 2001.

21 8 Todos estes equipamentos citados trabalham em conjunto na busca de um mesmo objetivo, a busca na excelência da qualidade do ar comprimido. Quanto maior for sua qualidade, quanto mais livre de impurezas estiver o ar, mais eficiente se tornará a execução do trabalho a ser realizado, e conseqüentemente, maior será a economia gerada com a produção de ar comprimido. Além de uma indesejada queda no rendimento do serviço, impurezas provocam muitas vezes avarias nos equipamentos pneumáticos, além de falhas no funcionamento dos mesmos. Portanto, ferrugem, partículas de sujeira, restos de óleo e umidade devem sempre ser evitados (REIS, 2004). É necessária uma atenção especial para a umidade presente no ar comprimido. Quando o ar comprimido resfria certa quantidade de água condensa Esta presença de vapor d água contida é uma porcentagem do ar atmosférico e é medida em Umidade Relativa (%UR) (NORGREN HERION IND., 2006). A Figura 2.2 é um exemplo em forma de gráfico da proporção máxima de água que pode ser mantida em forma de vapor à uma determinada temperatura. Figura 2.2 Gráfico Temperatura C por gramas de vapor de água/ metro cúbico de ar. Fonte: NORGREN, Deve sempre ser considerado, ao se fazer um projeto, a aquisição de novos equipamentos pneumáticos, ou seja, um aumento no consumo de ar comprimido. Por isso se torna necessário sobredimensionar a instalação de produção e distribuição, para que no futuro não se venha a constatar que ela está sobrecarregada. Uma ampliação posterior da instalação se torna invariavelmente muito cara (PARKER AUTOMATION, 2001).

22 9 Os equipamentos e dispositivos envolvidos na produção, tratamento e distribuição de ar comprimido serão abordados mais detalhadamente a seguir. 2.1 Compressores Como já foi exposto de forma sucinta anteriormente, compressores são máquinas destinadas basicamernte a elevar a pressão do ar, admitido em condições atmosféricas, tornando-o útil às mais variadas tarefas e aplicações. A classificação dos tipos de compressores se dá basicamente levando-se em consideração os aspectos construtivos, bem como também o princípio de funcionamento que proporciona a ele a possibilidade de uma elevação da pressão do ar. Levando-se em consideração o princípio de funcionamento responsável pela elevação da pressão, podemos destacar dois tipos básicos: Compressores de deslocamento positivo; Compressores de deslocamento dinâmico. Estes dois tipos apresentam ainda subdivisões, como pode ser observado no diagrama da Figura 2.3. Figura Classificação dos compressores. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.

23 10 Os vários tipos de compressores apresentam diferenças entre si, portanto, ao se fazer a escolha por um deles deve-se levar em consideração aspectos como a vazão fornecida, pressão, etc. (METALPLAN, 2006). Deve-se também levar em consideração alguns cuidados quanto à localização da instalação dos compressores, locais com boa ventilação, livres de poeiras e com baixa umidade devem ser preferidos, bem como locais livres de altas temperaturas Compressores de deslocamento positivo Os compressores de deslocamento positivo se baseiam no princípio de redução de volume para a compressão do ar. Consegue-se a compressão aqui sugandose o ar para dentro de uma câmara fechada, e diminuindo-se posteriormente o tamanho deste ambiente (REIS, 2004). Quando uma certa pressão é atingida, esta provoca a abertura de válvulas de descarga, ou simplesmente o ar é empurrado para o tubo de descarga durante a redução do volume da câmara de compressão (PARKER AUTOMATION, 2000) Este princípio de funcionamento pode ser melhor observado na Figura 2.4. Figura 2.4 Princípio de funcionamento de um compressor alternativo. Fonte: CABANO, 2006.

24 11 Na admissão do ar, o pistão se movimenta em sentido contrário ao cabeçote, fazendo com que aumente o volume da câmara, o que propicia a abertura da válvula de sucção, aspirando assim o ar. Ao inverter-se o sentido de movimentação do pistão, a válvula de sucção se fecha e o gás é comprimido até que se atinja uma pressão interna de funcionamento ideal, o que provoca a abertura da válvula de descarga, caracterizando a etapa de compressão. Quando a válvula de descarga se abre, a movimentação do pistão faz com que o gás seja expulso do interior do cilindro. Essa situação corresponde à etapa de descarga e dura até que o pistão encerre o seu movimento no sentido de encontro ao cabeçote (CABANO, 2006). Existem dois tipos básicos de compressores com este tipo de configuração, um denominado alternativo, e outro denominado rotativo. Os principais compressores com estes aspectos construtivos serão citados a seguir Compressores alternativos Neste tipo de construção, como pode ser observado na Figura 2.5, um conjunto biela-válvula é responsável por converter o movimento rotativo de um eixo em um movimento translacional de um pistão (CABANO, 2006). Figura 2.5 Compressores alternativos de simples e de duplo efeito. Fonte, REIS, 2004.

25 12 A cada rotação do conjunto biela-válvula, o pistão efetua um movimento de ida e outro de volta em direção ao cabeçote, finalizando assim um ciclo. Os compressores de simples efeito possuem apenas uma câmara de compressão. Quando se deseja a obtenção de pressões mais elevadas, existe a possibilidade da construção de um compressor com mais de uma câmara de compressão, como pode ser visto na parte da direita da Figura 2.5. Nestes compressores o ar é comprimido por um êmbolo, passa por um resfriador intermediário, conhecido como aftercooler, e enviado à uma segunda câmara de compressão, sendo o volume desta segunda câmara menor do que a o volume da primeira (REIS, 2004) Compressores rotativos São os compressores cujo processo mecânico comprime o ar por meio da movimentação de espirais internas que aumentam a sua energia cinética do. O compressor rotativo dispensa um maior número de peças móveis, o que proporciona a ele menores perdas mecânicas por atrito, este fato diminui também a necessidade de lubrificação. Portanto, acontece também menor contaminação de ar com óleo lubrificante (ARSINCO, 2007). Outro aspecto muito importante deste tipo de compressor, prende-se ao fato da economia de energia, com maiores rendimentos volumétricos e menores fugas de ar; devido ao fato da ausência de válvulas de admissão e descarga. Este aspecto colabora também para uma menor necessidade de manutenção desses compressores Compressores rotativos de parafusos Os compressores de parafuso podem ser construídos com um, ou dois eixos.

26 13 Nos compressores com apenas um eixo, um parafuso helicoidal girante aumenta a energia cinética do ar, que é aprisionado contra a carcaça do equipamento e impulsionado para frente por meio da rotação do parafuso. Porém no tipo mais utilizado destes compressores, dois rotores em forma de parafuso helicoidal giram em sentido contrário, sincronizados por engrenagens, como pode ser visto na Figura 2.6. Esta rotação desloca o ar para frente, reduzindo o espaço disponível para ele, provocando assim a compressão (SANTOS, 2006). Figura 2.6 Compressor rotativo de duplo parafuso. Fonte: CABANO, Os compressores de parafusos apresentam dimensões pequenas e permitem alcançar altas rotações, porém, o consumo de potência é maior se comparado aos compressores de pistões (SANTOS, 2006) Compressores rotativo de palhetas O compressor de palhetas possui um rotor central que gira excentricamente em relação a uma carcaça, ou corpo do compressor, que possui aberturas de entrada e saída. Esse rotor possui rasgos radiais que se prolongam por todo o seu comprimento, onde são dispostas palhetas retangulares (CABANO, 2006). Quando o rotor gira, as palhetas, devido à ação da força centrífuga, são impulsionadas contra a parede da carcaça, e devido à excentricidade do rotor, há um aumento e diminuição constantes das células formadas pelas palhetas, o que possibilita a compressão e descarga do ar (REIS, 2004).

27 14 As vantagens deste compressor estão no fato dele apresentar uma construção com dimensões reduzidas; e um funcionamento silencioso, contínuo e equilibrado, gerando assim fornecimento de ar uniforme e livre de pulsações. Figura 2.7 Compressor rotativo de palhetas. Fonte: REIS, Compressor roots O funcionamento deste tipo de compressor é simples, nele existem duas rodas dentadas que giram dentro de uma carcaça, intercaladas com ar a uma rotação prédeterminada, ocasionando assim uma depressão de um dos lados, onde acontece a aspiração do ar; e uma sobrepressão do outro lado, onde acontece a descarga. Como pode ser visto na Figura 2.8. Este tipo de construção é ideal quando se deseja conseguir uma taxa de compressão baixa, porém com uma grande vazão de ar comprimido (SANTOS, 2006).

28 15 Figura 2.8 Compressor roots. Fonte: REIS, Compressores de deslocamento dinâmico A construção deste tipo de compressor funciona segundo o princípio da aceleração do fluxo da massa de ar. Nele acontece a sucção de ar de um lado e compressão do outro, por aceleração da massa, ou seja, a elevação da pressão é obtida por meio da conversão de energia cinética em energia de pressão, durante a passagem do ar através do compressor (PARKER AUTOMATION, 2000). Como dito, o ar admitido do lado da sucção é colocado em contato com rotores dotados de alta velocidade, conhecidos como impulsores, sendo então o ar acelerado, aumentando assim sua velocidade, e consequentemente sua energia cinética. A transformação desta energia cinética em pressão acontece por meio de um retardamento do fluxo do ar, do lado oposto à sucção. Esta desaceleração do fluxo de ar acontece pela passagem dele por dutos que vão se estreitando gradativamente, conhecidos como difusores. Os compressores dinâmicos apresentam ainda três tipos diferentes de construção, fluxo radial, fluxo axial, e um terceiro conhecido como ejetor, sendo este não muito comum.

29 Compressor dinâmico de fluxo radial Este tipo de compressor, conhecido também como centrífugo, caracteriza-se pelo fato de a admissão do ar acontecer no sentido axial, sendo porém ele conduzido e acelerado internamente no sentido radial do compressor, ou seja, 90º em relação ao eixo; para então expulso pela extremidade oposta à admissão (SANTOS, 2006). Quando vários estágios estão reunidos em uma mesma carçaça, o ar passa pelo difusor antes de ser conduzido ao centro de rotação do estágio seguinte, causando a conversão de energia cinética em energia de pressão (PARKER AUTOMATION, 2000). Na Figura 2.9 pode ser visto um compressor dinâmico de fluxo radial com 3 estágios. Figura 2.9 Compressor dinâmico com fluxo radial com 3 estágios. Fonte: REIS, Compressor dinâmico de fluxo axial Nos compressores de fluxo axial, como pode ser visto na figura 2.10, o ar é acelerado por meio de turbinas, e o seu escoamento acontece no sentido do eixo do rotor (NEBRA, 2000).

30 17 Figura 2.10 Compressor dinâmico de fluxo radial. Fonte: REIS, Estes tipos de compressores, são geralmente construídos sob uma configuração de múltiplos estágios, com turbinas posicionadas em série, o que aumenta o poder de compressão.. A Figura 2.11 mostra uma foto tirada pela turma da disciplina de Máquinas Térmicas da Profª. Silvia Azucena Nebra, da UNICAMP, em visita à oficina de reparação de turbinas da PETROBRÁS S.A., na cidade de Macaé, no estado do Rio de Janeiro. Nela pode ser observado a construção interna de um compressor axial de 11 estágios. Figura 2.11 Fotografia tirada na oficina de reparo de turbinas da PETROBRÁS S.A. em Macaé R.J. Fonte: FEM/UNICAMP, 2000.

31 A escolha do tipo de compressor a ser usado Como mostrado nas seções anteriores, estão disponíveis no mercado vários tipos e modelos de compressores de ar. Um sistema de ar comprimido eficiente começa pela escolha mais adequada do tipo de compressor mais indicado para realizar uma determinada atividade. Essa escolha é função da vazão, pressão e nível de pureza exigidos para tal tarefa (METALPLAN, 2006). No gráfico da Figura 2.12 estão indicadas as capacidades, em quantidade de ar aspirado e respectiva pressão alcançada para os principais tipos de compressores. Figura 2.12 Produção de ar comprimido em função da pressão para os diversos tipos de compressores. Fonte: REIS, 2004.

32 Equipamentos destinados ao tratamento do ar comprimido Como já foi dito no início deste capítulo, a qualidade do ar comprimido é de suma importância para que se obtenha a realização de uma determinada tarefa não só de forma eficiente, mas também de uma maneira econômica (REIS, 2004). A contaminação do ar comprimido é a soma da contaminação do ar ambiente com outras substâncias que são introduzidas durante o processo de compressão. O ar ambiente é contaminado por partículas de natureza sólida, tais como a poeira, por vapor d água, além de poluentes gasosos. Durante o processo de compressão, o ar é contaminado também pelo óleo lubrificante do compressor e por partículas sólidas provinientes do desgaste das peças móveis do mesmo. Na tubulação de distribuição, o ar comprimido ainda pode arrastar ferrugem e outras partículas. A qualidade do ar comprimido pode ser classificada em quatro níveis, como descritos a seguir (MSPC, 2007). Ar de respiração: hospitais, cilindros para mergulho, respiradores industriais para trabalhos de pintura, jatos de areia, etc; Ar de processo: indústria eletrônica, de alimentos e farmacêutica; Ar de instrumentos: laboratórios, pinturas, etc; Ar industrial: ferramentas pneumáticas e uso geral. Basicamente, os teores de contaminação por poeiras, água e óleo definem o nível de qualidade do ar. A pressão e a temperatura elevada do ar potencializam os efeitos prejudiciais de todos esses contaminantes. Por outro lado, a redução gradual da temperatura do ar comprimido ao longo da tubulação causa a condensação de alguns deles, como é o caso da umidade presente no ar atmosférico (METALPLAN, 2006). Ao atingirem a fase de condensado, esses contaminantes estarão presentes no fluxo de ar comprimido sob diferentes formas, desde um pequeno filete líquido depositado nas partes inferiores da tubulação, passando por pequenas gotas e chegando

33 20 a partículas microscópicas, conhecidas como aerosóis, dispersas entre as moléculas do ar comprimido. A norma internacional ISO de 2004 é a referência central sobre a qualidade do ar comprimido. Na Tabela 2.1. podem ser analisadas as classes de qualidade do ar comprimido em função dos seus três contaminantes típicos: água, óleo e partículas sólidas, onde o ponto de orvalho pressurizado representa a temperatura na qual o ar comprimido pode ser resfriado antes que o vapor d água presente no ar começar a condensar-se, transformando-se partículas d água. Tabela 2.1 Classes de qualidade do ar comprimido segundo a Norma ISO Fonte: NORGREN, A mesma norma ISO de 2004 recomenda uma seqüência padrão de equipamentos, mostrada na Figura 2.13, que auxilia num melhor tratamento do ar comprimido industrial. Tais equipamentos serão estudados nas seções a seguir. Figura 2.13 Seqüência de equipamentos recomendados pela ISO Fonte: METALPLAN, 2006.

34 Resfriador posterior A função do resfriador posterior, também conhecido como aftercooler, é reduzir a temperatura do ar que deixa o compressor para níveis próximos da temperatura ambiente, por isso de o seu posicionamento ideal ser logo após à saída do compressor. Com isso, obtém-se uma grande condensação dos contaminantes gasosos, especialmente o vapor d água (METALPLAN, 2006). Em termos construtivos, podemos dizer que o resfriador posterior é um trocador de calor que pode ser resfriado pelo ar ambiente ou também por água. Um exemplo pode ser visto na ilustração da Figura Figura 2.14 Resfriador posterior. Fonte: PARKER AUTOMATION, Outra parte importante constituinte de um resfriador posterior é o separador de condensados. O separador de condensados fica posicionado na saída do resfriador e possui um formato sinuoso, fazendo com que quando da passagem do ar por esse caminho, a água condensada seja eliminada, ficando retida em uma câmara, de onde será eliminada para a atmosfera por meio de um dreno, conhecido também por purgador; podendo este último ser automático ou manual (PARKER AUTOMATION, 2000).

35 Filtros de ar comprimido Pode-se definir filtragem como sendo o uso de dispositivos capazes de conter as impurezas presentes no fluxo de ar comprimido, estes dispositivos são os filtros (PARKER AUTOMATION, 2000). O filtro de ar comprimido pode ser posicionado de três posições diferentes numa instalação: antes e depois do secador de ar comprimido e também junto ao ponto de uso. O secador de ar comprimido é um equipamento que será estudado mais adiante. O filtro instalado antes do secador, ou pré-filtro, tem por função separar o restante da contaminação sólida e líquida remanescente do resfriador posterior, protegendo assim o secador contra o excesso de óleo oriundo do compressor de ar, o que poderia diminuir a eficiência. O filtro instalado após o secador, ou pós-filtro, é responsável pela eliminação da pequena umidade residual não removida pelo separador de condensados do secador, além da contenção dos sólidos não retidos no pré-filtro. Os filtros instalados no ponto de uso são usados para evitar que os contaminantes presentes ao longo da tubulação de ar comprimido atinjam a aplicação final do mesmo. Se o sistema não possui qualquer tipo de tratamento de ar comprimido, os filtros instalados no ponto de uso são ainda mais recomendados (METALPLAN, 2006). Figura 2.15 Filtro de ar comprimido. Fonte: METALPLAN, 2006.

36 23 Hoje em dia, os modernos filtros para ar comprimido são do tipo coalescente e adsorvedor. O princípio de funcionamento de um filtro coalescente baseia-se em dois processos distintos, a retenção mecânica e a coalescência. A retenção mecânica é a simples obstrução da passagem do contaminante através do elemento filtrante, permitindo apenas que o ar comprimido siga adiante. Já a coalescência, segundo a norma ISO 8573: 2004, é a ação pela qual partículas líquidas em suspensão unem-se para formar partículas maiores. Como uma parte significativa da contaminação líquida presente no ar comprimido é composta por partículas em suspensão, também chamadas de aerosóis, a coalescência ganhou importância central para a eficiência de um sistema de tratamento de ar comprimido, pois esta é a forma mais eficiente de separar esta forma de contaminante Secadores de ar comprimido Como já dito anteriormente, a presença de umidade no fluxo de ar comprimido é sempre prejudicial ao sistema. Portanto, se torna necessário reduzir ao máximo esta umidade. O ideal seria eliminá-la por completo, porém isto é praticamente impossível. O secador de ar comprimido é um equipamento destinado a reduzir ao máximo a umidade presente no fluxo de ar. Apesar de geralmente ser um equipamento de alto investimento inicial, seu valor pode ser rapidamente recuperado visto que ocorrerá uma grande redução dos incovenientes causados pela presença de umidade no ar. Existem nos dias de hoje basicamente três tipos de secagem de ar comprimido, a citar-se, por refrigeração, por absorção e por adsorção.

37 Secagem por refrigeração A secagem por refrigeração consiste em submeter o ar a uma temperatura suficientemente baixa, na qual se é possível obter a máxima condensação dos vapores de água e óleo sem o risco de congelamento, permitindo assim a retirada de grande parte dos contaminantes. Depois de removido o condensado, a maioria dos secadores por refrigeração reaquece o ar comprimido, por meio de recuperadores de calor, que reaproveitam o calor do ar comprimido na entrada do secador, devolvendo-o ao sistema numa condição mais adequada ao uso (PARKER AUTOMATION, 2000). Na verdade, este reaquecimento é intencional, visando a economia de energia e evitar que a tubulação fique gelada; porém provoca a completa reevaporação da umidade residual que não foi removida pelo separador de condensados. No estado gasoso, essa umidade não pode ser eliminada pelo pós-filtro. Na Figura 2.16 pode ser visto o esquema de secagem por refrigeração. Figura 2.16 Secagem do ar por refrigeração. Fonte: PARKER, 2000.

38 25 Vale lembrar que se o secador for resfriado a ar, deve-se ter uma atenção especial à temperatura ambiente do local onde este será instalado Secagem por absorção Este método utiliza uma substância sólida ou líquida para absorver outra substância líquida ou gasosa. Neste processo, como pode ser visto na Figura 2.17, o ar é conduzido no interior de um volume onde está presente uma massa higroscópica, insolúvel que absorve a umidade do ar e partículas de óleo, formando assim uma mistura secador-umidade por meio de uma reação química, sendo assim este processo também chamado de secagem química (PARKER AUTOMATION, 2000). Figura 2.17 Secagem por absorção. Fonte: REIS, 2004.

39 26 Com a utilização constante do equipamento, o elemento higroscópico ou secador é consumido, sendo necessária a sua reposição periodicamente, em geral, de duas a quatro vezes por ano Secagem por adsorção O secador por adsorçaão caracteriza-se por renovar os vapores de ar comprimido sem a necessidade de condensá-los. Podemos definir adsorção como sendo o efeito de atração das moléculas de gases e líquidos para superfícies de um sólido adsorvedor, mantendo-as aderidas na mesma (WIKIPÉDIA, 2006). O material adosrvedor de um secador por adsorção tem um altíssimo poder de atração e retenção das moléculas de água sobre sua superfície. Entre os materiais adsorvedores podemos citar a sílica-gel, a alumina ativada, etc. Este tipo de secagem é indicada para aplicações extremas, quando o secador por refrigeração deixa de ser eficaz, pois consomem muito mais energia do que os secadores por refrigeração, limitando assim sua aplicação. Em geral, um secador por adsorção possui dois leitos de secagem, como mostrado na Figura 2.18, de modo a permitir que um leito esteja secando ar comprimido, enquanto que o leito já saturado possa ser reativado pelo simples aquecimento do material adsorvedor ( PARKER AUTOMATION, 2000). Em termos construtivos, um secador por adsorção, além dos dois leitos verticais, possui base, tubulação de interligação, sistema de válvulas, silenciador e painel de comando. Em qualquer secador por adsorção, um fluxo de ar despressurizado e extremamente seco é o veículo condutor para a extração das moléculas de água do leito saturado no sentido oposto ao da secagem.

40 27 Figura 2.18 Secagem por adsorção. Fonte: REIS, Unidade de condicionamento de ar comprimido Mesmo tendo passado por todo o processo de produção, tratamento e distribuição, é recomendável que o ar comprimido passe por um último tratamento antes de sua utilização final. O uso de uma unidade de condicionamento de ar, é indispensável em qualquer tipo de sistema pneumático, pois ajuda a prolongar a vida útil dos componentes e permite que os mesmos trabalhem em condições favoráveis (BELAN, 2005) Nesta unidade, o ar passa por um beneficiamento que envolve filtragem, regulagem de pressão e lubrificação.

41 28 Nesta etapa, a filtragem é aplicada para manter o ar absolutamente limpo; a regulagem de pressão para limitar a carga de trabalho dos equipamentos, e a lubrificação da partes móveis para auxiliar na manutenção dos movimentos livres e uniformes (SANTOS, 2006). Devemos lembrar que existem casos nos quais a lubrificação do ar não é recomendada, como por exemplo a utilização do ar para respiração humana, devendo este ser um ponto a ser levado em consideração na hora de aplicar o uso deste dispositivo. Na Figura 2.19 pode ser vista uma unidade de conservação de ar comprimido. Figura 2.19 Unidade de condicionamento de ar comprimido. Fonte: BELAN, Reservatório O reservatório de ar comprimido de um sistema tem como funções básicas: Armazenar o ar comprimido para consumo; Equalizar as pressões das linhas de consumo; Resfriar o ar auxiliando na eliminação do condensado;

42 29 Sua capacidade, em termos práticos, deve ser em média de 6 a 10 vezes a capacidade do compressor por segundo, devendo também possuir dispositivos de segurança, tais como manômetro, termômetro, etc. Outra questão é que os dispositivos destinados ao tratamento do ar comprimido, conseguem geralmente uma eficiência em torno de 80 a 90% na retenção de umidade; o restante acompanha o ar comprimido até o reservatório, onde a velocidade é consideravelmente reduzida, fazendo assim com que a maior parte dos condensados residuais deposite-se sobre as paredes e escorra para o fundo deste. Sendo assim, é muito importante a existência de uma tubulação de dreno na parte mais baixa do reservatório para permitir a retirada desta água. Quanto à localização da instalação, os reservatórios devem, se possível, ser instalados fora da casa de compressores e à sombra, visando facilitar a formação do condensado. Na Figura 2.20 pode ser visto um reservatório típico. Figura 2.20 Reservatório de ar comprimido e seus componentes. Fonte: REIS, 2004.

43 Redes de distribuição de ar comprimido A rede de distribuição compreende todas as tubulações que saem do reservatório, e que unidas, orientam o ar comprimido até os vários pontos de utilização. Uma rede de distribuição de ar comprimido dimensionada de forma correta garante uma baixa perda de carga, gerando assim um fornecimento de ar adequado e econômico. Para tal, alguns aspectos devem ser obedecidos (PARKER AUTOMATION, 2000). Para que esta baixa perda de carga seja alcançada, as tubulações requerem uma manutenção regular; portanto, de preferência, elas não devem ser instaladas dentro de paredes ou cavidades estreita. Com relação aos materiais da tubulação, deve-se dar preferência aos resistentes à oxidação, como o aço galvanizado, aço inoxidável, alumínio, cobre e plásticos de engenharia, pois estes evitam a produção de ferrugem, um potencial contaminante do ar comprimido utilizado. Já em relação à forma montagem da rede, existem duas principais, a rede de distribuição em circuito aberto e a em circuito fechado. Porém, na maioria dos casos a rede é montada em circuito fechado, pois esta permite um fornecimento de ar comprimido mais uniforme em casos de consumo muito grande pelos equipamentos. A rede em circuito fechado pode ser montadas com derivações transversais, ou então com derivações montadas a partir do anel principal, como mostrado na figura Partindo da tubulação principal, são instaladas as ligações em derivação, podendo estas derivações ser montadas a partir do próprio anel principal da rede, ou então com derivações transversais, como mostrado na Figura Mediante a presença de válvulas de fechamento, existe a possibilidade de bloquear determinadas linhas de ar comprimido quando as mesmas não forem usadas ou quando for necessário colocá-las em manutenção.

44 31 Figura 2.21 Redes de distribuição de ar comprimido em circuito fechado, com derivações do próprio anel e da transversal. Fonte: PARKER AUTOMATION, Recomenda-se que as tubulações sejam montadas com um declive de 0,5 a 2%, na direção do fluxo, como exemplificado na Figura Esta inclinação serve para favorecer o recolhimento de eventuais condensados, levando-os para a parte mais baixa, onde são eliminados por meio de drenos. Outro cuidado a ser tomado em relação ao aspecto construtivo da rede, é a aplicação de raios grandes nas curvaturas. Regras práticas estipulam que o raio de curvatura mínimo da rede de distribuição de ar comprimida de ser 2 vezes o diâmetro da tubulação da rede principal.

45 32 Figura 2.22 Parte de uma rede de ar comprimido com inclinação. Fonte: REIS, Embora, em termos teóricos, as perdas de pressão por vazamentos de ar devessem ser nulas, na prática elas acontecem por meio de diferentes tipos de defeitos, tais como: pequenos furos, acoplamentos com folgas, vedações defeituosas, etc; alcançando valores elevados quando somadas. Em geral, recomenda-se que estas perdas não ultrapassem 5% da vazão total do sistema. A ocorrência de vazamentos na rede representa um consumo consideravelmente maior de energia. Como pode ser visto na Tabela 2.3. Tabela 2.3 Perdas com vazamentos de ar nas tubulações. Fonte: REIS, 2004.

46 33 III. ELEMENTOS DE UM CIRCUITO ELETROPNEUMÁTICO AUTOMATIZADO Como tudo em engenharia, um sistema eletropneumático automatizado deve ter seu início por um projeto muito bem detalhado. Existem várias motivações que influenciam na implantação de um sistema eletropneumático automatizado. Um dos principais motivos é a redução dos custos operacionais; a rapidez nos movimentos pneumáticos e a liberação do operário de operações repetitivas, o que possibilita o aumento do ritmo de trabalho, aumento da produtividade, e portanto um menor custo operacional. Os sistemas de atuação pneumáticos são empregados em situações em que normalmente existem vários cilindros, motores, ventosas, etc. Conseqüentemente, existe a necessidade que uma parte do sistema processe informações para provocar o acionamento de tais atuadores no momento mais correto, desencadeando seqüências de operações pré-estabelecidas pelo projeto. Um sistema de atuação corresponde ao conjunto de elementos capaz de receber uma informação proviniente de um circuito elétrico, ou de um programa de CLP, ou até mesmo de um operador estabelecendo qual a ação que deve ser executada (BELAN, 2005). São elementos básicos de um circuito eletropneumático: Elemento de sinal Sensores elétricos, botoeiras, chaves fim de curso; Elemento de trabalho Máquinas elétricas e/ ou atuadores pneumáticos; Elemento de comando - Dispositivos elétricos e/ ou válvulas eletropneumáticas; Elemento de controle - Circuito eletropneumático e/ ou CLP.

47 Elementos de sinal Os elementos de sinal são responsáveis por transformar grandezas físicas de um sistema, tais como a pressão e temperatura, em sinal compatível para os elementos de processamento de sinal ou de controle (BELAN, 2005). Entre os elementos de entradas de sinais podemos citar as botoeiras, as chaves fim de curso, interruptores, pressostatos e sensores, todos destinados a emitir sinais para a energização ou desenergização do circuito ou parte dele (PARKER AUTOMATION, 2001). Os sensores fazem parte do grupo dos elementos eletrônicos de sinal, sendo os outros dispositivos citados denominados mecânicos. A principal vantagem dos sensores de proximidade frente aos elementos mecânicos de sinal é o fato de que não precisam de contato direto com o objeto a ser detectado, evitando assim, desgastes ou contaminações. Os tipos de sensores mais usuais são os magnéticos, óticos, indutivos e barométricos. Algumas das características desses sensores estão na Tabela 3.1. Tabela 3.1 Características funcionais dos tipos de sensores citados. Fonte: BELAN, Onde * representa sensores óticos de reflexão difusa, ** sensores óticos de retroreflexão, *** sensores óticos de barreira, + sensores indutivos de corrente contínua, ++ sensores indutivos de corrente alternada, # captadores de queda de pressão no cilindro.

48 Sensores magnéticos Estes sensores apresentam uma construção relativamente simples, onde duas lâminas de contato elétrico ficam alojadas no interior de uma ampola contendo gás inerte, como pode ser notado na Figura 3.1. Figura 3.1 Ilustração de um sensor magnético. Fonte: BELAN, Estes sensores detectam apenas a presença de materiais metálicos e magnéticos. Estes dispositivos são montados diretamente sobre o lado externo dos cilindros pneumáticos, nos quais os êmbolos devem conter uma cinta magnética que ao passar pela região do cilindro onde está posicionado o sensor, gere um campo capaz de fechar o contato entre as duas lâminas, produzindo assim um sinal de corrente elétrica de saída. Esta construção pode ser vista na Figura 3.2. Figura 3.2 Sensor magnético instalado em um cilindro. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.

49 Sensores óticos Os sensores óticos detectam a aproximação de qualquer tipo de objeto, desde que este não seja transparente, apresentando a vantagem da possibilidade de detectar presença de objetos desde a pequenas distâncias, até outras consideradas grandes (PARKER AUTOMATION, 2001) Os sensores óticos são construídos por dois elementos distintos, sendo um emissor de luz, normalmente luz infravermelha, e o outro receptor. As diferenças no tipo construtivo se baseiam na localização dos elementos emissor e receptor e também da superfície refletora, podendo ser: Sensor ótico de barreira, que se caracteriza quando um objeto se coloca entre os dois elementos do sensor, interrompendo a passagem de luz entre eles, o que provoca a emissão de um sinal de saída (PARKER AUTOMATION, 2001). O sensor ótico de barreira está mostrado na Figura 3.3. Figura 3.3 Sensor ótico de barreira, com e sem a presença de objeto. Fonte: BELAN, No sensor reflexivo, o emissor e o receptor de luz são montados em um único corpo, o que reduz espaço e facilita sua montagem entre as partes móveis dos equipamentos. Porém existe o inconveniente de a distância de detecção ser menor, visto que a luz transmitida pelo emissor irá refletir no material a ser detectado para então penetrar no receptor, o qual emitirá o sinal elétrico de saída (PARKER AUTOMATION, 2001). Esta construção pode ser observada na Figura 3.4.

50 37 Figura 3.4 Sensor ótico reflexivo. Fonte: BELAN, Uma terceira montagem é conhecida como sensor retro-reflexivo, assim como no sensor reflexivo, o emissor e o receptor são montados num mesmo corpo, porém aqui a reflexão é realizada por uma superfície refletora que não é a peça, como pode ser notado na Figura 3.5. Sua aplicação é indicada quando o objeto a ser detectado apresenta características de reflexão ruins (BELAN, 2005). Figura 3.5 Sensor ótico retro-reflexivo. Fonte: BELAN, Sensores indutivos Os sensores indutivos são capazes apenas de detectar a presença de materiais metálicos, condutores de eletricidade. Neste tipo de sensor, um solenóide gera um campo eletromagnético oscilatório no espaço externo ao cabeçote do sensor. Quando o corpo a ser detectado

51 38 quando entra neste campo produz correntes que absorvem energia do oscilador, o que provoca o acionando um circuito disparador, emitindo assim um sinal para o elemento de comando do sistema (BELAN, 2005). A Figura 3.6 apresenta um sensor indutivo. Figura 3.6 Foto de um sensor indutivo. Fonte: PARKER AUTOMATION, Sensores barométricos De forma resumida, nos sensores barométricos, o sinal é produzido pela pressão exercida sobre uma membrana, a qual atua sobre um módulo de comutação pneumático, elétrico ou eletrônico. A Figura 3.7 mostra o esquema de um sensor barométrico, onde P1 e P2 são as pressões na câmara do cilindro. Figura 3.7 Sensor barométrico. Fonte: BELAN, 2005.

52 Botoeiras Botoeiras são chaves elétricas acionadas por um esforço manual que apresentam, geralmente, um contato aberto e outro fechado. As botoeiras podem ser do tipo pulsadoras, ou então com trava, dependendo do tipo de sinal a ser enviado aos elementos de comando do sistema. As botoeiras pulsadoras invertem seus contatos mediante ao acionamento de um botão e, devido a ação de uma mola, retornam à posição de origem quando esse acionamento se cessa. As botoeiras com trava também invertem seus contatos mediante o acionamento de um botão, mas ao contrário das botoeiras pulsadoras, permanecem travadas mesmo depois de cessado o acionamento. Para retornar à posição inicial, este tipo de botoeira necessita de um novo acionamento. Estes dois tipos de botoeiras podem ser vistos na Figura 3.8. Figura 3.8 Fotos dos dois tipos botoeiras. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.

53 Chaves fim de curso As chaves de fim de curso também são comutadores elétricos de entrada de sinais acionados mecanicamente. São posicionadas no decorrer do percurso de cabeçotes móveis de máquinas e equipamentos industriais, bem como nas hastes de cilindros pneumáticos. O acionamento pode ser efetuado por meio de um rolete mecânico ou de um gatilho. A Figura 3.9 mostra, a título de exemplo, uma chave fim de curso acionada por rolete mecânico. Figura 3.9 Chave fim de curso acionada por rolete mecânico. Fonte: PARKER AUTOMATION, Elementos de trabalho Os elementos de trabalho de um circuito eletropneumático são dispositivos capazes de converter a energia pneumática contida no ar comprimido, depois de ele ter sido preparado, em energia mecânica de movimento.

54 41 Em um circuito eletropneumático, o conversor é ligado mecanicamente à carga, possibilitando assim que, quando influenciado pela energia contida no ar comprimido, convertê-la em força ou torque, transferido-a à carga (PARKER, 2000). Existem basicamente dois tipos de atuadores pneumáticos, os atuadores lineares, que devido à sua forma construtiva, são conhecidos como cilindros pneumáticos, sendo capazes de transformar a energia contida no ar comprimido em um movimento linear, e os atuadores rotativos ou motores pneumáticos, que transformam a energia pneumática em movimento rotativo. Existe ainda um terceiro tipo de atuador, o oscilador pneumático, que converte a energia pneumática em energia mecânica por meio de momento torsor limitado de um determinado número de graus. Estes três tipos de dispositivos serão mais bem focados e detalhados no capítulo 4, que trata da classificação dos atuadores pneumáticos. 3.3 Elementos de comando Os elementos de comando em um circuito eletropneumático têm por finalidade alimentar ou descarregar convenientimente, no instante programado, os atuadores pneumáticos. Para isso, esses dispositivos têm a capacidade de orientar o escoamento de ar, impor bloqueios, controlar intensidades de vazão e pressão, etc. Os principais elementos de comando em um circuito são as válvulas pneumáticas, podendo estas serem classificadas de acordo com o tipo de trabalho que são capazes de executar, são elas: Válvulas de controle direcional; Válvulas de bloqueio; Válvulas de controle de fluxo; Válvulas de controle de pressão.

55 Válvulas de controle direcional Este tipo de válvula tem por função orientar a direção que o fluxo de ar deve seguir, sendo este o motivo de tal denominação (BELAN, 2005). Nestes componentes, uma peça cilíndrica com diversos rebaixos, conhecida como carretel, se desloca a partir de um tipo de acionamento qualquer dentro de um corpo no qual são usinados diversos furos, por onde entra e sai o fluido.. No carretel existem rebaixos que são utilizados para intercomunicar as diversas tomadas de fluido deste corpo, determinando a direção do fluxo. As válvulas de carretel pertencem ao grupo das válvulas de corrediças, onde temos também o tipo de válvula denominada plana longitudinal, e também a válvula giratória. Na válvula de corrediça longitudinal, um pistão seleciona as ligações mediante a um movimento longitudinal, como o próprio nome já diz. A força do acionamento é pequena, pois não é necessário vencer a pressão do ar ou da mola, ambas inexistentes. Existe ainda um outro grupo de válvulas de controle direcional, conhecido por válvula de assento ou de sede. As válvulas de sede possuem poucas peças de desgaste, tendo assim uma longa vida útil. Elas são robustas e insensíveis à sujeira e a força de acionamento, ao contrário das válvulas de corrediça, é relativamente alta. Para que se tenha uma perfeita definição de uma válvula direcional devemos conhecer alguns aspectos construtivos inerentes a elas, tais como: Posição inicial; Número de vias; Tipo de acionamento; Tipo de retorno; Vazão.

56 43 O número de posições é a quantidade de posições distintas que a válvula direcional pode permanecer. Por exemplo, uma válvula que possui apenas duas possibilidades, ou estar aberta, ou estar fechada, tem duas posições. Normas internacionais, como por exemplo a ISO 1219 e a DIN 24300, padronizam a representação gráfica de válvulas direcionais, e estabelecem que essa se dá por meio de retângulos, sendo estes formados pelo número de quadrados respectivo ao número de posições da válvula, ou seja, cada quadrado representa uma posição (REIS, 2004). O número de vias de uma válvula representa o número de conexões de trabalho, tais como entrada de pressão, utilização ou escape. As direções de fluxo são indicadas por setas, as passagens bloqueadas por sinal de bloqueio e as conexões de escape e alimentação, indicadas por triângulos. A Tabela 3.2 mostra essas representações gráficas. Tabela 3.2 Símbolos utilizados para indicar a utilização da via. Fonte: BELAN, As normas ISO 1219: 1991 e DIN estabelecem padrões com letras e números para que seja possível uma uniformização das conexões de trabalho de uma válvula, como pode ser observado na Tabela 3.3.

57 44 Tabela 3.3 Regras para identificação dos orifícios ou conexões de válvulas. Fonte: PARKER AUTOMATION, É usual representar uma válvula direcional pela simbologia 3/2, 4/2, 5/2 ou 5/3, por exemplo. Nestes casos, o algarismo antes da barra representa o número de vias e o após o número de posições. Para que uma válvula mude de posição é necessário que um agente externo forneça energia para movimentar o carretel. A força pode ser aplicada diretamente (acionamento direto) ou em um dispositivo intermediário, o qual será responsável por liberar o comando principal ( acionamento indireto). Estes acionamentos das válvulas podem ser: Musculares; Mecânicos; Pneumáticos; Elétricos; Combinados. Os acionamentos musculares, mostrados na Figura 3.10, são geralmente utilizados em válvulas de painel que são utilizadas para o início e fim de uma cadeia de operações e também como emergência. Podem ser do tipo muscular, botão, alavanca e pedal.

58 45 Figura 3.10 Acionamentos musculares. Fonte: BELAN, O acionamento mecânico é conseguido por meio de um contato mecânico sobre o acionamento, colocado estrategicamente ao longo de um movimento qualquer. Os contatos mecânicos podem são observados na Figura Por apresentarem estas características, as válvulas equipadas com este tipo de acionamento recebem também o nome de válvulas fim de curso. Figura 3.11 Tipos de acionamentos mecânicos. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.

59 46 As válvulas que usam o acionamento pneumático são comutadas pela ação do ar comprimido emitido por outra válvula anterior, podendo ser, como mostrado na Figura 3.12, do tipo piloto negativo ou do tipo piloto positivo (BELAN, 2005). Figura 3.12 Tipos de acionamentos pneumáticos. Fonte: BELAN, Já no caso dos acionamentos elétricos, estes podem der feitos por meio de solenóides de um enrolamento, dois enrolamentos ou motor elétrico. Hoje em dia, esse tipo de acionamento é muito usado devido à sua facilidade de comunicação com PLC s e utilização de sinais elétricos de sensores de fim de curso. É possível ainda a utilização de acionamentos combinados, sendo estes úteis nos casos em que ser quer aproveitar a energia pneumática e economizar outros tipos, tais como elétrica e mecânica. Outras peculiaridades, tais como vazão nominal, pressões de trabalho, temperaturas admissíveis, tempos de comutação, tipos de energia de acionamento, correntes, tensões e potências elétricas consumidas, formas de fixação, materiais, pesos e medidas devem também receber uma atenção especial quando se for efetuar uma compra Válvulas de bloqueio São dispositivos que bloqueiam a passagem de ar comprimido, preferencialmente, em um só sentido, permitindo passagem livre em direção contrária (REIS, 2004). Estes podem ser dos tipos:

60 Válvula de retenção Estas válvulas impedem completamente a passagem de ar em uma direção. Na direção contrária, o ar flui com a mínima queda de pressão. O fechamento em um sentido pode ser feito por cone, esfera, placa ou membrana. Existem dois tipos básicos de válvulas de retenção, com mola e sem mola. Na válvula de retenção com mola, o elemento que ocasiona o fechamento é mantido inicialmente contra os seu assento pela força de uma mola. Por outro lado, quando existe fluxo no sentido favorável da passagem do ar, o elemento é deslocado do assento, comprimindo a mola e possibilitando a passagem do ar (PARKER AUTOMATION, 2000). A válvula de retenção com mola pode ser vista na Figura Figura 3.13 Válvula de retenção com mola. Fonte: PARKER AUTOMATION, Na válvula de retenção sem mola, o bloqueio se dá no sentido contrário ao da passagem do ar, não contando com o auxílio de mola, sendo ele é feito pela própria pressão de ar comprimido.

61 Válvula de escape rápido A válvula de escape rápido é usada quando se deseja obter velocidades maiores do que as que normalmente são conseguidas por um pistão de atuador linear (PARKER, 2001). Para tal, o fator determinante é a velocidade de escape do ar contido no interior da câmara do cilindro. Com a utilização desta válvula, a pressão no interior de um lado da câmara cai bruscamente, assim como também a resistência oferecida pelo ar residual, sendo assim, o ar flui diretamente para a atmosfera; fazendo com que, do outro lado da câmara, o pistão adquira uma elevada velocidade. Figura 3.14 Construção de uma válvula de escape rápido. Fonte: PARKER AUTOMATION, Válvula de isolamento ou elemento OU Esta válvula possui três orifícios, dois de entrada de pressão e um ponto de utilização. Ao se enviar um sinal por uma das entradas, a entrada oposta é automaticamente vedada e o sinal emitido flui até a saída de utilização.

62 49 Uma vez cortado o fornecimento, o elemento seletor interno permanece na posição, em função do último sinal emitido. Quando ocorre coincidência de sinais com valores iguais de pressões nas duas entradas, prevalece o sinal que atingiu primeiro a válvula. No caso de pressões diferentes, passará ao ponto de utilização a pressão de maior valor, impondo bloqueio no lado da pressão de menor intensidade. Na Figura 3.15 pode ser visto este tipo de válvula. Figura 3.15 Válvula de isolamento ou elemento OU. Fonte: REIS, A utilização desta válvula se torna necessária quando se deseja acionar um cilindro com alimentação de ar comprimido proveniente de mais de um lugar. (REIS, 2004) Válvula de simultaneidade ou elemento E Como no caso da válvula de isolamento, esta válvula possui três orifícios. A diferença se dá pelo fato de que o ar chegará ao ponto de utilização apenas quando as duas entradas de pressão estiverem sendo alimentadas. A que chegar primeiro, ou então a de menor valor no caso em que as duas forem simultâneas, se autobloqueará; dando assim passagem ao outro sinal. Na Figura 3.16 uma válvula de simultaneidade.

63 50 Figura Válvula de simultaneidade ou elemento E. Fonte: REIS, Válvulas de controle de fluxo Estas válvulas são utilizadas para diminuir a quantidade de ar que passa através de uma tubulação, por meio de uma redução de sua seção, o que é muito utilizado quando se necessita regular a velocidade de um atuador. O controle de velocidade de um atuador linear ser feito pelo ar de entrada ou pelo ar de saída (PARKER AUTOMATION, 2000) Válvulas de controle de fluxo unidirecional É constituída por uma válvula de retenção e em paralelo a ela um dispositivo de controle de fluxo, montados em um único corpo. Em relação ao fluxo, pode se comportar de duas formas diferentes. No fluxo controlado, o ar comprimido é bloqueado pela válvula de retenção em um sentido pré-fixado, sendo assim ele obrigado a passar restringido pelo ajuste fixado no dispositivo de controle, como mostrado na figura 3.17.

64 51 Figura 3.17 Válvula de controle de fluxo unidirecional. Fonte: CROSER, No caso de um fluxo livre, o ar possui livre vazão pela válvula de retenção no sentido oposto ao mencionado para o fluxo controlado. Estando o dispositivo de ajuste totalmente acionado, esta válvula passa a funcionar como uma válvula de retenção Válvulas de controle de fluxo bidirecional Nesta válvula a quantidade de ar que entra por um lado ou pelo outro é controlada por meio de um parafuso de acordo com a proximidade ou afastamento desse em relação ao assento. Conseqüentemente, é permitido um maior ou menor fluxo de passagem de ar comprimido (PARKER AUTOMATION, 2000). Na Figura 3.18 pode ser vista uma válvula de controle de fluxo bidirecional.

65 52 Figura 3.18 Válvula de controle de fluxo bidirecional. Fonte: PARKER AUTOMATION, Válvulas de controle de pressão Este tipo de válvula tem como função básica influenciar ou serem influenciadas pela intensidade de pressão de um sistema (REIS, 2004). No campo das válvulas de controle de pressão podemos citar: as reguladoras de pressão, as limitadoras de pressão e as válvulas de seqüência. Porém, existe um tipo que merece receber uma atenção especial, as válvulas de alívio. A válvula de alívio pode ser enquadrada no campo das válvulas limitadoras de pressão, e funciona limitando a pressão de um reservatório, compressor, linha de pressão, etc., evitando a sua elevação além de um ponto ideal. Uma pressão pré-determinada é ajustada por meio de uma mola calibrada que é comprimida por um parafuso (PARKER AUTOMATION, 2000). Caso haja sobrecarga, ou seja, quando a pressão atinge aquela prédeterminada, a válvula se abre e o ar é liberado a escapar para a atmosfera (BELAN, 2005).

66 53 Figura 3.19 Válvula de alívio. Fonte, PARKER AUTOMATION, Elementos de controle Geralmente a função de controle em um sistema eletropneumático é exercida pelos circuitos eletropneumáticos, estes circuitos podem, e estão sendo cada vez mais auxiliados por PLC s, principalmente quando a aplicação atinge escalas industriais. Os circuitos eletropneumáticos são esquemas de comando e acionamento que representam os componentes pneumáticos e elétricos empregados em máquinas e equipamentos, bem como a interação entre esses elementos para se conseguir o funcionamento desejado e os movimentos exigidos do sistema mecânico em tempos e seqüências corretos. Enquanto o circuito pneumático representa o acionamento das partes mecânicas, o circuito elétrico representa a seqüência de comando dos equipamentos pneumáticos para que as partes móveis das máquinas apresentem os movimentos finais desejados (PARKER AUTOMATION, 2001).

67 Os PLC s Os controladores lógicos programáveis, ou PLC s do inglês programmables logics controllers, surgiram na montadora norte-americana GENERAL MOTORS, em 1968, devido a grande dificuldade de mudar a lógica de controle dos painéis de comando de relés toda vez que se tornava necessária uma mudança na linha de montagem, o que implicava em altos gastos de tempo e de dinheiro. Sob a liderança do engenheiro Richard Morley, foi preparada uma especificação que definia as necessidades de muitos usuários de circuitos e relés, não só da indústria automobilística, mas de toda a indústria manufatureira. Nascia assim um dispositivo bastante versátil e de fácil utilização, que vem se aprimorando constantemente e se diversificando cada vez mais nos setores da indústria em que são empregados (WIKIPÉDIA, 2006). São vantagens do uso dos PLC s em relação aos painéis de comando: Apresentam uma dimensão reduzida, ocupando menor espaço; Apresentam menor consumo de energia elétrica; São reutilizáveis e/ ou reprogramáveis; Têm alta confiabilidade; Possuem rapidez na elaboração de projetos; Têm interfaces de comunicação com outros PLC s e computadores. Os controladores lógicos programáveis podem ser considerados operadores cíclicos devido as suas características de operação. Numa primeira etapa todos os sinais de entrada são lidos, ou seja, são analisados os níveis lógicos das entradas, verdadeiro ou falso. Logo após o processador passa a percorrer o programa do usuário, salvo na memória interna do PLC, na seqüência exata que foi programado por ele, obtendo como resultado o novo valor das variáveis de saída. As memórias do CLP podem ser do tipo SRAM ou DRAM, onde são armazenados temporariamente os dados e as variáveis de saída. São normalmente protegidas por baterias para impedir a perda dos programas por falta de energia.

68 55 As memórias EPROM e flash são usadas para armazenar os programas do usuário que não sofrerão modificações, pelo menos a curto espaço de tempo. Na última etapa do ciclo de um PLC os novos estados das variáveis de saída são transferidos para os terminais de saída, todo este ciclo tem uma duração da ordem de milisegundos (BELAN, 2005). O funcionamento básico de um PLC pode ser visto na Figura Figura 3.20 Diagrama de funcionamento de um PLC. Fonte: BELAN, 2005.

69 56 IV. CLASSIFICAÇÃO DOS ATUADORES PNEUMÁTICOS Atuadores Pneumáticos são conversores de energia capazes de transformar a energia pneumática contida no ar comprimido em energia mecânica ou trabalho, isso se dá pelo fato de os atuadores estarem ligados mecanicamente à carga. Assim, quando influenciados pelo ar comprimido, sua energia é convertida em torque, e então transferida à carga (PARKER AUTOMATION, 2000). Tais atuadores podem ser classificados através do tipo de movimento mecânico que são capazes de produzir. Eles podem ser classificados, basicamente, em três tipos, são eles: Cilindros pneumáticos; Motores a ar comprimido; Osciladores pneumáticos. Os cilindros pneumáticos são constituídos de componentes capazes de converter energia pneumática em movimento linear. Os motores pneumáticos são responsáveis por transformar energia pneumática em movimento de giro; já os osciladores pneumáticos convertem energia pneumática em mecânica através de um movimento torsor limitado por um determinado número de graus. 4.1 Cilindros pneumáticos Cilindros Pneumáticos, como já dito anteriormente, são dispositivos constituídos de componentes capazes de converter energia pneumática em movimento, esse movimento deve ter natureza linear para que o equipamento seja considerado um

70 57 cilindro pneumático, eles recebem este nome por sua carcaça, na maioria das vezes, ter um formato cilíndrico. A utilização de cilindros pneumáticos em escala industrial é de grande valia, pois a geração de movimento retilíneo com elementos mecânicos, associada a acionamentos elétricos é relativamente custosa e ligada a certas dificuldades de fabricação e durabilidade (REIS, 2004). Dentre os tipos construtivos, podemos citar basicamente dois, o cilindro de simples efeito ou simples ação e o de duplo efeito ou dupla ação, os quais possuem alguns tipos derivados. Em relação aos cilindros de duplo efeito, podemos citar por exemplo algumas derivações: Cilindro de Dupla Ação com Haste Dupla; Cilindro Duplex Contínuo ou Tandem; Cilindro Duplex Geminado ou de Múltiplas Posições; Cilindro de Impacto; Cilindro com Amortecimento; Cilindro sem haste Cilindro de simples efeito ou simples ação Os cilindros de simples ação são acionados pelo ar comprimido de apenas um lado, realizando assim trabalho em um só sentido. O retorno se dá por meio de força externa, ou por meio de uma mola (REIS, 2004). Em cilindros de simples ação com retorno por mola, o avanço do êmbolo é limitado pelo comprimento dela, por isso, são fabricados cilindros deste tipo com o curso máximo de aproximadamente 100mm. Para cursos maiores, o retorno é proporcionado pela gravidade ou por força externa (BELAN, 2005).

71 58 Vale lembrar também que existe a possibilidade de o avanço ser devido à aplicação da força elástica pela mola, e o retrocesso ser devido ao ar comprimido. Já esses tipos de cilindros tem aplicação peculiar em freios de caminhões e vagões ferroviários. Na Figura 4.1 podem ser vistos os tipos de cilindros de simples ação citados acima. Figura 4.1 Cilindros pneumáticos de simples ação. Fonte: PARKER AUTOMATION, Em termos construtivos possuem somente um orifício por onde o ar entra e sai do seu interior, comandado por uma válvula. Na extremidade oposta à de entrada existe um pequeno orifício que serve de respiro. Na figura 4.2 pode ser visto o esquema de acionamento de um cilindro de simples ação comandado por uma válvula direcional 3/2 e retorno por mola. Figura Cilindro de simples ação comandado por uma válvula direcional 3/2 e retorno por mola. Fonte: DE NEGRI, 2001.

72 59 Esses cilindros são utilizados principalmente em máquinas para fixar, prensar, elevar, etc. Pois nestas atividades é requerida pouco ou nenhuma força no retorno do cilindro (BELAN, 2005) Cilindro de duplo efeito ou dupla ação Este é o tipo mais utilizado de cilindro pneumático, este de cilindro utiliza ar comprimido para produzir trabalho nos dois sentidos, tanto no avanço, quanto no retorno, e é utilizado em aplicações onde se torna necessário realizar trabalho também no retrocesso do pistão. Quando uma câmara está admitindo ar, a outra está em contato com a atmosfera, isto só será invertido pela inversão da válvula de comando. Apesar de produzirem trabalho nos dois sentidos de atuação, é muito importante ressaltar que existe uma diferença entre os esforços desenvolvidos. As áreas efetivas de atuação da pressão são diferentes, a área da câmara traseira é maior do que a da câmara dianteira, pois nesta há de se levar em conta o diâmetro da haste, que impede a ação do ar sobre toda a área. Portanto, estes cilindros produzem uma força maior no seu avanço (PARKER AUTOMATION, 2000). A Figura 4.3 apresenta um cilindro de dupla ação, no avanço e no retorno. Figura 4.3 Cilindro de dupla ação avançando e retornando. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.

73 60 AFigura 4.4 mostra um cilindro de dupla ação comandado por uma válvula direcional 4/2 com acionamento por alavanca e retorno por mola, e um cilindro de dupla ação comandado por uma válvula direcional 5/2 com duplo solenóide. Figura 4.4 Exemplo de cilindros de dupla ação comandados por válvulas direcionais. Fonte: DE NEGRI, Cilindro de dupla ação com haste dupla Em termos construtivos este cilindro possui duas hastes unidas ao mesmo êmbolo. Enquanto uma realiza trabalho, a outra pode ser utilizada no comando de fins de curso, por exemplo. Apresentam ainda a possibilidade de variação do curso de avanço, o que é muito favorável em operações de usinagem. As duas faces do êmbolo possuem geralmente a mesma área, o que possibilita transmitir forças iguais nos dois sentidos de movimentação. Apresenta também dois mancais de guia, um em cada cabeçote, oferecendo mais resistência a cargas laterais, bem como melhor alinhamento. Pode ser fixado pelas extremidades das hastes, deixando o corpo livre, ou fixado pelo corpo, permitindo que as hastes se desloquem. Este tipo de cilindro pode ser visto na figura 4.5.

74 61 Figura 4.5 Cilindro pneumático de dupla ação com haste dupla. Fonte: REIS, Cilindro duplex contínuo ou tandem Este cilindro apresenta dois cilindros de dupla ação que formam uma única unidade. Dotado de dois êmbolos unidos por uma haste comum, separados entre si por meio de um cabeçote intermediário, este cilindro possui entradas de ar independentes. Devido à sua forma construtiva, ao ser injetado ar comprimido simultaneamente nas duas câmaras, no sentido de avanço ou retorno, ocorre atuação sobre as duas faces do êmbolo, de modo que a força produzida é a soma das forças individuais de cada êmbolo. Isto permite se obter uma maior força, tanto no avanço como também no retorno (REIS, 2004). São aplicados em casos onde se necessita de uma força maior, porém não dispondo de espaço para comportar um cilindro de diâmetro maior e nem podendo aumentar a pressão de trabalho. A Figura 4.6 evidencia um cilindro tandem. Figura 4.6 Cilindro pneumático duplex contínuo ou tandem. Fonte: REIS, 2004.

75 Cilindro duplex geminado ou de múltiplas posições A construção deste cilindro pneumático consiste em dois ou mais cilindros de dupla ação, unidos entre si, possuindo cada um entradas de ar independentes. Essa união possibilita a obtenção de três, quatro ou mais posições distintas. As posições são obtidas em função da combinação entre as entradas de ar comprimido e seus correspondentes cursos. São usados, por exemplo, em circuitos de seleção de peças, que serão aproveitadas ou descartadas. A Figura 4.7 mostra este tipo de construção. Figura 4.7 Cilindro pneumático geminado duplex ou de múltiplas posições. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.

76 Cilindro de impacto Recebe esta denominação devido à força a ser obtida pela transformação da energia cinética. O ar é retido inicialmente e acumulado numa pré-câmara interna, atuando sobre uma pequena área da secção do prolongamento na parte traseira do êmbolo, como pode ser visto na Figura 4.8. Quando a pressão do pistão atinge um valor suficiente, pré-determinado, iniciase o deslocamento do pistão. Este avança lentamente até que, em determinado instante, o prolongamento do êmbolo se desaloja da parede divisória e permite que todo o ar armazenado escoe rapidamente, atuando sobre a área do êmbolo (PARKER AUTOMATION, 2000). No instante em que ocorre a expansão brusca do ar, o pistão adquire velocidade crescente até atingir a faixa onde deverá ser melhor empregado. São usados em rebitagens, gravações, cortes, etc. Figura 4.8 Cilindro de impacto. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.

77 Cilindros com amortecimentos Projetado para controlar movimentos de grandes massas e desacelerar o pistão nos fins de curso, ele tem a sua vida útil prolongada em relação aos tipos sem amortecimento. O amortecimento é aplicado, quando necessário, em cilindros que possuem diâmetros superiores a 30 mm e cursos acima de 50 mm, caso contrário, não é viável sua construção. O amortecimento é criado pelo aprisionamento de certa quantidade de ar no final do curso. Porém existem os inconvenientes de o tempo gasto para se completar cada ciclo se tornar maior e existirem perdas a cada desaceleração do pistão. Este cilindro pode ser observado na Figura 4.9. Figura 4.9 Cilindro com amortecimentos. Fonte: REIS, Cilindros sem haste Este cilindro é utilizado quando existe a necessidade de cursos mais longos

78 65 com economia de espaço, pois no caso de cilindros com haste existe a necessidade de espaço para o curso do êmbolo. Na figura 4.10 pode ser vista a construção deste tipo de cilindro. Figura 4.10 Cilindro sem haste. Fonte: PARKER AUTOMATION, Motores a ar comprimido ou motores pneumáticos Os atuadores rotativos ou motores pneumáticos são caracterizados por converterem a energia pneumática em movimento rotativo e por possuírem um campo angular ilimitado. Apresentam um tamanho e peso geralmente menores que os motores elétricos e por este motivo são indicados para lugares que apresentam restrição de espaço, além de não causarem danos nem riscos de segurança quando existirem a ocorrência de sobrecargas. Outra característica vantajosa é que devido à simplicidade de construção apresentam uma manutenção não muito complicada (BELAN, 2005).

79 66 Estão classificados segundo o seu aspecto construtivo. São eles: Motores de pistão; Motores de palhetas; Motores de engrenagens; Turbomotores ou turbinas. Esta classificação pode ser melhor observada conforme a classificação presente na Tabela 4.1. Tabela 4.1 Classificação dos atuadores pneumáticos rotativos. Fonte: BELAN, Motores de pistão Como evidenciado na Tabela 4.1, este tipo de motor está sub-dividido em motor de pistão radial e axial, uma ilustração simplificada destes dois tipos estão na Figura Nos motores radiais, o êmbolo aciona o eixo do motor por meio de pistões em movimento radial. Para que seja garantido um movimento sem golpes e vibrações são necessários vários pistões. A potência dos motores depende da pressão de entrada, número de pistões, área e do curso dos mesmos (REIS, 2004).

80 67 O funcionamento dos motores de pistão axial é similar ao dos motores de pistão radial. Um disco oscilante transforma a força de uma média de 5 cilindros, axialmente posicionados, em movimento giratório. Com isso é obtido um momento de inércia equilibrado, garantindo um movimento do motor, uniforme e sem vibrações (BELAN, 2005). O torque elevado é a característica que mais se destaca nos motores pneumáticos de pistão, fazendo com que os mesmos sejam ideais para aplicações envolvendo fator de partida elevado, tais como em máquinas de elevação, guinchos e máquinas de transporte. Figura 4.11 Motores pneumáticos de pistão. Fonte: REIS, Motor de palhetas Este tipo de motor apresenta uma construção simples e pequeno peso, além de um funcionamento seguro. O motor é constituído de um rotor, dotado de ranhuras onde ficam posicionadas as palhetas. Este rotor é fixado excentricamente em um espaço cilíndrico. As palhetas colocadas nas ranhuras serão, pela força centrífuga, afastadas contra a parede interna do cilindro.

81 68 O torque é ocasionado pela expansão que o ar comprimido sofre, exercendo pressão contra a superfície das palhetas, que deslizam nas ranhuras do rotor acoplado ao eixo de transmissão. Com a expansão, o rotor é incentivado a girar (BELAN, 2005). Na Figura 4.12 pode ser visto o motor pneumático de palhetas. Figura 4.12 Princípio de funcionamento do motor pneumático de palhetas. Fonte: BELAN, Motores de engrenagem Este tipo de motor, em termos construtivos, é basicamente constituído por um par de rodas dentadas, como pode ser visto na Figura 4.13, que são percorridas pelo ar comprimido e ligadas ao eixo do rotor. A geração do momento de torção efetua-se pela pressão do ar contra os flancos dos dentes das duas engrenagens, que podem ser retos ou então num formato helicoidal, tendo o primeiro tipo a desvantagem de ter um nível de ruídos mais elevado. Uma engrenagem é montada fixa no eixo do motor, a outra livre em outro eixo (REIS, 2004). Estes motores apresentam a vantagem de o sentido de rotação ser reversível.

82 69 Figura 4.13 Motor pneumático de engrenagens. Fonte: BELAN, Turbomotores ou turbinas Turbomotores somente são usados para trabalhos leves, pois sua velocidade de giro é muito alta, são utilizados por exemplo em equipamentos dentários, que atingem rotações até rpm. A Figura 4.14 apresenta um motor deste tipo. Figura 4.14 Exemplo construtivo de turbomotor. Fonte: BELAN, 2005.

83 Características gerais dos motores pneumáticos São características vantajosas na utilização de motores pneumáticos, algumas delas já citadas: Grande escolha de rotação; Construção leve e pequena; Seguro contra sobre-carga, em caso da ocorrência eles simplesmente param; Insensível contra intemperismos como poeira, água, calor e frio; Seguro contra explosão; Conservação e manutenção insignificantes em relação a outros tipos de motores; Sentido de rotação fácil de ser revertido; Baixa quantidade de peças móveis em relação a outros tipos de motores. 4.3 Osciladores pneumáticos É um tipo de atuador pneumático de menor utilização na indústria, porém é possível sua utilização em ambientes agressivos, tais como a indústria alimentícia e a indústria química. Este tipo de atuador está mostrado na Figura Sua operação, devido ao seu modo de construção, é contínua, mesmo sem lubrificação, o que lhe proporciona excelente aplicação também em indústrias de eletrônicos e embalagens, e também nos demais lugares onde devem ocorrer operações limpas, livres de impurezas. Seus movimentos são suaves e precisos, o que lhe proporciona alto rendimento e eficiência, gerados por um equipamento leve e compacto (PARKER AUTOMATION, 2000). A posição angular pode ser controlada tanto com reguladores de curso como batentes internos.

84 71 Os osciladores pneumáticos, geralmente apresentam movimentos que podem variar entre 60º e 290º. Figura 4.15 Osciladores pneumáticos. Fonte: PARKER AUTOMATION, Na Tabela 4.2 estão apresentadas as especificações técnicas de alguns modelos de osciladores pneumáticos. Tabela 4.2 Especificações de alguns dos modelos de osciladores pneumáticos. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2000.

85 72 V. DIMENSINAMENTO DO CONJUNTO CILINDRO E VÁLVULA Para que os projetos de sistemas pneumáticos apresentem o desempenho esperado inicialmente é de fundamental importância que aconteça um correto dimensionamento de seus componentes, sendo assim, o correto dimensionamento do conjunto atuador pneumático e válvula deve receber uma grande atenção, pois além de poder proporcionar um perfeito funcionamento da instalação em termos de trabalhos a serem executados, podem gerar uma economia na utilização de ar comprimido, e consequentemente de dinheiro (DE NEGRI, 2001). Como evidenciado no capítulo 4, existem no mercado três tipos básicos de atuadores pneumáticos, que são classificados de acordo com a natureza do movimento mecânico que são capazes de desenvolver. Porém, um deles apresenta uma maior aplicabilidade em termos de uso industrial, e por isso receberá uma atenção especial neste capítulo, são os atuadores lineares ou cilindros pneumáticos. As especificações dos cilindros, tais como o diâmetro da camisa e o diâmetro da haste, bem como também algumas variáveis relacionadas às válvulas direcionais serão buscadas aqui com embasamento que envolve não só alguns estudos presentes na literatura, mas também questões práticas. Para se selecionar um cilindro pneumático, deve-se partir de algumas informações de projeto, tais como: a força que ele irá desenvolver, a pressão de trabalho fornecida a ele pelo sistema, seu curso máximo, o tempo que ele tem para executar o trabalho, etc. O ar comprimido assim como todo fluido é uma substância que se deforma continuamente quando sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento (DE NEGRI, 2001). Pode-se dizer que a força de cisalhamento é a componente da força que age sobre a superfície e, dividida pela área da superfície, dá origem à tensão de cisalhamento média sobre a área, ou seja. F τ = (5.1) A

86 73 No caso, quando o fluido utilizado é o ar comprimido, a tensão de cisalhamento pode ser definida como sendo a pressão, e continua sendo a força que age sobre uma superfície, dividida pela área desta mesma superfície. Na Tabela 5.1 está apresentada a simbologia de algumas variáveis que estarão presentes nas fórmulas a partir de agora. Tabela 5.1 Simbologia de parâmetros e variáveis Fonte: DE NEGRI, Em relação às válvulas direcionais, uma importante variável a ser dimensionada para o sistema é a vazão mássica. A vazão mássica representa o fluxo de massa que passa por uma seção em uma determinada unidade de tempo, e para o caso da válvula da Figura 5.1 pode ser escrita de acordo com a Equação 5.2. Figura 5.1 Seção transversal de uma válvula direcional. Fonte DE NEGRI, 2001.

87 74 qm = ρ ν (5.2) 2 A 12 2 O que representa cada variável da Equação 5.2, bem como suas unidades, podem ser observadas na Tabela 5.1. Apenas a título de citação, quando se fala em especificação da vazão de válvulas, vale a pena salientar que os catálogos técnicos comerciais não utilizam esse sistema de vazão mássica através de uma seção para dimensionar as válvulas. Nestes catálogos, as válvulas são especificadas por meio da vazão volumétrica obtida em testes realizados em conformidade com algumas normas existentes. Dentre estas normas podemos mencionar: VDI 3290; ANSI/ (NFPA) T3.21.3; ISO Por exemplo, a Norma da Associação Alemã de Engenheiros VDI 3290: 1962, define a vazão volumétrica nominal como sendo a quantidade de ar por unidade de tempo que passa através de um elemento com uma pressão de 7 bar na entrada (P1) e 6 bar na saída (P2), com uma temperatura ambiente de 20º C (DE NEGRI, 2001). Na maioria dos projetos de sistemas pneumáticos, ou pelo menos na escolha do conjunto cilindro pneumático e válvula direcional para realizar uma determinada tarefa, deseja-se que o sistema seja capaz de desenvolver uma determinada força a uma determinada velocidade, sendo estas dois parâmetros conhecidos no projeto. Outro parâmetro que geralmente também é conhecido ao se fazer um projeto para o deslocamento de uma massa é o avanço realizado pelo cilindro, ou comprimento da haste. De posse destes valores citados acima parti-se então para o dimensionamento em si do atuador linear e da válvula direcional. No cilindro pneumático são procurados valores como o diâmetro da camisa e da haste, já no caso da válvula, o principal valor a ser buscado é o da vazão nominal. A figura 5.2 mostra um circuito ilustrativo que será usado de exemplo para se buscar um método de encontrar estas variáveis procuradas no projeto de um sistema.

88 75 Figura 5.2 Circuito com cilindro e válvula direcional. Fonte: DE NEGRI, Neste caso, ao se dimensionar uma válvula muito pequena, a pressão PA também seria reduzida, e para se alcançar a força FC necessária dever-se-ia escolher um atuador maior, o que invariavelmente o tornaria mais caro, além de ocasionar um consumo de ar elevado. Por outro lado, se a válvula escolhida for maior que a necessidade, o tempo de resposta será maior, o que não é interessante (DE NEGRI, 2001). O primeiro passo a se buscar no dimensionamento sistema é o diâmetro da camisa do cilindro pneumático, para isso calcula-se a área na parte traseira da câmara, ou seja, a área que está em contato com a parte do êmbolo sem a haste. Para tal pode-se utilizar a Equação 5.3. F = p A η (5.3) c A A c Onde: hc = rendimento do cilindro, podendo ser adotado em torno de 80%. Considerando-se um valor da pressão de suprimento igual a 6 bar, um valor considerado normal, utilizado inclusive nos testes padronizados pelas normas, pode-se considerar o valor da pressão efetiva PA = 5,5 bar, consequentemente a perda de pressão DP= 0,5 bar.

89 76 Com o valor da área AA, calcula-se então o valor do diâmetro da camisa do atuador, DA. O segundo passo a ser executado é o cálculo da vazão volumétrica em A, e pode ser conseguido por meio da Equação 5.4. qν = A ν (5.4) A(pA) A C Parte-se então para o cálculo de qva (Po), 5 p A + 1, q ν = ν A(p0) q A(pA) (5.5) 5 1, E finalmente, com o valor do resultado encontrado por meio da Equação 5.5, pode-se chegar ao valor da vazão nominal da válvula direcional. Q n qν = 0, proj(p0) p 2proj p proj (5.6) Onde: Qn = Vazão nominal (p = 1,013 bar, T = 20ºC); qvproj (p0) = Vazão volumétrica de projeto; p2proj = pressão absoluta de saída (Pa); Dproj = p1 - p2 = diferença de pressão entre entrada e saída (Pa). O cálculo da força resultante, como na Equação 5.7, é feito levando-se em consideração o ar residual presente na câmara B, o cálculo da área em B leva em consideração o diâmetro da haste, escolhido em tabelas de especificações industriais de acordo com o diâmetro DA e da força de trabalho a ser vencida. Deve-se sempre também levar em consideração o fenômeno de flambagem que é passível de acontecer em hastes de cilindros, principalmente quando estas forem longas e destinadas a deslocar uma grande carga.

90 77 ( p A A A p B A B ) ηc = FC (5.7) Deve-se lembrar que os cálculos feitos por meio das fórmulas apresentadas acima são teóricos. Os valores encontrados devem se adequar aos valores comerciais presentes nas tabelas de seleção dos principais fabricantes. Deve-se sempre escolher um valor imediatamente superior ao encontrado por meio dos cálculos.

91 78 VI. APLICAÇÃO AO CASO DAS PLATAFORMAS DE EMBARQUE Neste ponto do trabalho poder-se-ia, e seria de grande naturalidade, procurar alguma aplicação na indústria da utilização dos atuadores pneumáticos lineares para se fazer um estudo de caso. Não são poucas as aplicações deste tipo de equipamento nas indústrias nos dias de hoje, dentre as quais podemos citar: Elevação de peças; Marcação de peças; Furação de peças; Marcação de peças; Curvatura de placas metálicas; Estampagem de placas metálicas; Mudança e seleção de peças em correias transportadoras. Porém é um fato notório a preocupação da sociedade em relação à inclusão social de pessoas com algum tipo de limitação ou deficiência física. Hoje em dia, até mesmo as empresas devem resguardar certa porcentagem de vagas no quadro de colaboradores para que estas sejam destinadas às pessoas com certos tipos de limitações. Outro exemplo desta prática são os concursos públicos. Tendo esse fato em mente, foi buscada uma aplicação da automação pneumática que estivesse relacionada à inclusão social de pessoas com deficiência física. Algumas possibilidades foram analisadas, chegando-se à conclusão de que o caso das plataformas de embarque de deficientes físicos em veículos do transporte urbano coletivo seria uma aplicação interessante de ser abordada. A acessibilidade de pessoas deficientes físicas nestes tipos de veículos vem ganhando relevância e é tema presente em algumas leis, a citar-se: A lei estadual do Rio de Janeiro Nº 3.348/99 de 29/ 12/ 1999 regulariza o atendimento ao usuário portador de deficiência físico-motora no sistema intermunicipal de passageiros e estabelece em seu Art. 1º:

92 79 Cada linha deverá dispor de três veículos para deficientes que trafeguem de forma ininterrupta em sentidos opostos, de 6h às 22h, prevista parada para resbastecimento e troca de tripulação (Inc. 111). Os veículos, dentre outras características, devem apresentar: Degraus articulados; Elevadores para cadeiras de rodas; Mecanismos de segurança; Tripulação com motorista, cobrador e auxiliar para facilitar ingresso e saída do usuário quando necessário. Na cidade de Salvador existe uma lei que estabelece que deve existir um número de cinco por cento da frota de ônibus para atendimento de pessoas portadoras de deficiência física. Dados do ano de 2006 apontam que naquele ano, 111 veículos já contavam com este tipo de dispositivo. Este tipo de equipamento, nos dias de hoje, são construídos com o uso da tecnologia eletro-hidráulica com o circuito sendo alimentado por 12 Vcc provenientes da bateria do veículo, como pode ser observado no ANEXO B. O objetivo a partir de agora será estudar a possibilidade desta montagem ser elaborada com o uso tecnologia eletropneumática. Neste aspecto o emprego da pneumática se torna um desafio, visto que o óleo, fluido utilizado na hidráulica apresenta características distintas quando as comparamos com as do ar comprimido, principalmente ao que se refere à viscosidade e à compressibilidade. Um possível circuito eletropneumático também pode ser alimentado pelos 12 Vcc da bateria, não sendo este um empecilho ao projeto. Da mesma forma, assim como existem nos ônibus dispositivos hidráulicos que utilizam o óleo, como é o caso do sistema de freios; existem também dispositivos que utilizam o ar comprimido, como na abertura e fechamento das portas e o sistema de suspensão de alguns modelos, o que facilitaria a implantação do sistema. Portanto, torna-se claro que o grande desafio é dimensionar de forma correta um conjunto cilindro pneumático e válvula que execute o trabalho necessário em tal situação, e descobrir se este é fabricado pelas empresas existentes no mercado.

93 Dimensionamento do atuador linear Existem no mercado hoje duas grandes empresas fabricantes das plataformas de embarque de deficientes físicos, a Ortobrás S.A. e a Marksell LTDA., todas duas apresentando em seus produtos características de construção bastante semelhantes. Na figura 6.1 pode ser vista uma ilustração com as dimensões das partes envolvidas na construção das plataformas. Figura 6.1 Dimensões construtivas das plataformas. Fonte: ORTOBRÁS, Quando o caso é o esquema de funcionamento da plataforma, os produtos dos dois fabricantes trabalham de maneira idêntica, o que não poderia deixar de acontecer. O sistema tem sua posição estacionária com o cilindro em uma posição intermediária, conhecida como posição de viagem. Ao ser acionado o sistema por meio de um botão o cilindro recua totalmente, posicionando a plataforma ao nível do solo ou da calçada. Em um segundo acionamento, o cilindro avança totalmente, parando ao

94 81 nível do piso do ônibus; o fato de o cilindro avançar na subida decorre de a área da câmara traseira do cilindro ser maior, podendo assim este desenvolver uma maior força. O terceiro passo, e último, é a descida do pistão até a posição de viagem, sendo este parado por meio de uma trava. A Figura 6.2 mostra esse esquema de funcionamento. Figura 6.2 Seqüência de movimentos da plataforma. Fonte: MARKSELL LTDA, Um recurso gráfico pode ser utilizado para exemplificar essa seqüência de movimentação do cilindro, é o diagrama trajeto-passo, nele está desenhada a posição do atuador linear a cada instante de tempo.

95 82 Para o dimensionamento do cilindro pneumático serão adotados os valores de projeto utilizados pelas empresas já citadas e também outros considerados como eficientes e seguros, são eles: O valor do curso do pistão será adotado L = 110 cm ou L = 1,1m, pois está é a distância padrão entre o solo e o piso do ônibus nos modelos adotada pelas empresas montadoras deste tipo de veículo. A massa a ser elevada pelo sistema será adotada m = 250 kg, por considerarse um valor que possua uma margem de segurança elevada para o usuário e a cadeira de rodas. Conseqüentemente a força de resistência a ser vencida pelo pistão, com seus devidos arredondamentos, será de F = 2500 N A pressão adotada inicialmente teria o valor de 6 bar, pois este apresenta-se como um valor eficiente de pressão para aplicações semelhantes a este caso. Porém será usado o valor de 6,21 bar, pois este é o valor imediatamente acima presente na tabela de seleção do fabricante de equipamentos pneumáticos adotada neste trabalho. O valor da velocidade de avanço convencionou-se v = 70 mm/s como sendo um valor seguro. Em geral, no dimensionamento de cilindros adota-se o valor de 80% para o rendimento. Porém como em tudo na engenharia deve-se primar por uma alta eficiência e uma conseqüente economia, o valor adotado para os cálculos será de h = 0,9. O primeiro valor a ser dimensionado é diâmetro da camisa do cilindro, para isso utiliza-se a Equação 5.3 e adota-se uma queda de pressão na linha de 0,5 bar, sendo esta proveniente principalmente de escapes de ar na tubulação, resultando em um valor da pressão efetiva de PA = 5,71 bar. O valor encontrado para a área da parte traseira da câmara do cilindro foi de AA = 0, m². Aplicando este valor na Equação 6.1. A A 2 ΠD A = (6.1) 4 Chega-se a um valor de DA = 78,7242 mm ou DA = 3,0993. Adequando este valor à tabela de seleção comercial 6.1.

96 83 Tabela 6.1 Parte da Tabela de diâmetros comerciais de cilindros pneumáticos Fonte: PARKER AUTOMATION, A Tabela completa pode ser vista no ANEXO A. Sendo assim o valor comercial mais próximo igual a DA = 3,250. Com o uso da Equação 5.4 achou o valor, qva pa = 0,34055 l/s, Portanto: qva pa = 20,433 l/min Aplicando este valor na equação 5.5, obtem-se: qva p0 = 131,371 l/min E finalmente, com a aplicação deste último na Equação 5.6, chega-se ao valor da vazão nominal da válvula, Qn: Qn = 178,349 l/min Devendo-se escolher o primeiro valor comercial acima deste valor. Já para a seleção do diâmetro da haste do êmbolo, o catálogo de seleção de cilindro BR da PARKER AUTOMATION propõe a seguinte equação: ( Ct Tp) L r = Cm + Onde: Cm = Coeficiente de montagem; Ct = Curso de trabalho, em polegadas; Tp = Comprimento do tubo de parada, em polegadas.

97 84 O coeficiente de montagem é um valor que se refere ao tipo de montagem da haste e pode ser obtido por meio da Tabela 6.2. Já o tubo de parada é um tubo que vai interno à camisa, envolvendo a haste, deixando-a bi-apoiada, o que proporciona à haste uma maior resistência às cargas laterais. Este tipo de recurso é usado em casos de cilindros nos quais as hastes são precariamente guiadas e os cursos são longos. O valor Tp pode ser obtido por meio da tabela 6.3. Tabela 6.2 Escolha do coeficiente de montagem da haste. Fonte: PARKER AUTOMATION, 2001.

98 85 Tabela 6.3 Parte da tabela de seleção do valor de Tp. Fonte: PARKER AUTOMATION, Neste ponto vamos considerar que o valor de Cm = 2 é um valor intermediário e que representa bem a situação real. O valor do curso de trabalho em polegadas é Ct = 43,307. Portanto da Tabela 6.3 encontra-se o valor de Tp = 1. E retornando à Equação 6.1, encontra-se o valor: Lr = 88,614 Aplicando este valor na Tabela 6.4, acharemos o valor do diâmetro da haste: Tabela 6.4 Diâmetro da haste. Fonte: PARKER AUTOMATION, de 1. Então, chegamos a um valor comercial para o diâmetro da haste do cilindro

99 Simulação dos resultados com o uso do software FluidSim P A utilização do software FluidSim P, da fabricante FESTO, neste ponto do trabalho visa simular a aplicação dos valores obtidos pelos cálculos em confronto com os valores de projeto. Por exemplo, com a aplicação dos valores de diâmetro do cilindro e da haste encontrados, bem como da vazão da válvula; busca-se um valor da velocidade de avanço do cilindro de 70 mm/s, estipulada inicialmente no projeto. Para isso, elaborouse um circuito simples, porém fiel ao funcionamento do sistema, como pode ser visto na Figura 6.3 da tela principal do software. Os símbolos envolvidos na elaboração deste circuito, bem como também o que cada um deles representa, podem ser vistos no ANEXO C. Figura 6.3 Tela principal do software FluidSim P.

100 87 Os parâmetros de projeto, assim como os valores obtidos por meio do dimensionamento feito foram configurados para os elementos constituintes do circuito, como podem ser visto nas figuras seguintes. Na Figura 6.4 está presente a tela do software onde foram configurados alguns dos valores relacionados às características construtivas do cilindro. Na parte superior da figura pode-se observar o valor de 1,1 m para o avanço máximo da haste. Logo abaixo pode ser observado também o valor de 0,5 m, que representa as posições inicial e final da haste do cilindro. Podem ser observados também os valores encontrados, por meio de cálculos de dimensionamento e uma posterior adequação às Tabelas 6.1 e 6.4, para os diâmetros da camisa do cilindro e também da haste do mesmo. Figura 6.4 Parâmetros de configuração do cilindro.

101 88 Na Figura 6.5 pode-se observar a configuração do valor de 250 kg para a massa do sistema, e na Figura 6.6 o valor de 6500 como sendo a força a ser vencida pelo sistema no avanço do pistão. Figura 6.5 Segunda tela de configuração do cilindro. Figura 6.6 Terceira tela de configuração do cilindro.

102 89 Na Figura abaixo observa-se a tela do software onde foi configurado o valor encontrado para a vazão nominal da válvula, Qn = 178,349 l/min. Pode ser visto também, na parte inferior da tela, o tipo de válvula escolhido, sendo esta uma válvula direcional de 2 posições e 4 vias e acionamento manual por meio de botão. Figura 6.7 Configuração da válvula direcional. Na Figura 6.8 pode ser observada a tela onde foi configurado o valor de 6,27 bar para o compressor, referente à pressão a ser fornecido por ele ao sistema. Como dito anteriormente, este valor é referente à adequação a Tabela de seleção comercial de cilindro, presente no ANEXO A, escolhida para a realização deste trabalho.

103 90 Figura 6.8 Configuração do compressor. Com a configuração dos parâmetros de projeto e dos valores encontrados ao sistema representado no software, era esperado que o cilindro fosse capaz de se deslocar a uma velocidade de 70 mm/s em seu avanço, sendo a ele aplicada uma carga resistiva ao seu avanço de 2500 N, fato este que realmente ocorreu e pode ser visto na parte superior da Figura 6.9. Figura 6.9 Avanço do cilindro com a velocidade de projeto.