INTRODUÇÃO A CIRCUITOS DE POTÊNCIA HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS
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- Inês Carvalho de Lacerda
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2 1 INTRODUÇÃO A CIRCUITOS DE POTÊNCIA HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS 1.1 O que é um circuito de potência? Circuito de potência é a tecnologia que lida com a geração, o controle e a transmissão de energia empregando um fluido pressurizado. É o músculo que move a indústria, pois é usado para empurrar, puxar, regular ou controlar praticamente todas as máquinas da indústria moderna. Exemplos: direção e freios hidráulicos de carros, trem de pouso de aviões, máquinas de terraplanagem, guindastes, máquinas de elevação e transporte, máquinas operatrizes, minas de carvão, consultório odontológico e órgãos humanos artificiais. É praticamente impossível encontrar um produto industrial que não tenha sido utilizado um circuito de potência para a sua fabricação ou distribuição. Sistemas hidráulicos empregam líquidos como óleos derivados de petróleo, água, óleos sintéticos e até metais fundidos; sistemas pneumáticos empregam ar. 1.2 Breve histórico O uso de fluidos para gerar trabalho é tão antigo como a própria civilização. A água era usada em rodas d água e o ar era usado em moinhos e como propulsor de embarcações. Contudo, havia necessidade de grandes massas de fluido, devido às baixas pressões relativas encontradas na natureza Enunciado de Pascal Bernoulli: Lei da conservação da energia para um fluido escoando em um duto Revolução industrial na Inglaterra - usava-se vapor e não energia elétrica para movimentar a indústria máquinas a vapor controlavam bombas d água, a qual escoava em dutos a uma pressão moderada para movimentar plantas industriais. Grande desenvolvimento até a eletricidade surgiu para atender as máquinas industriais, não havendo praticamente nenhum desenvolvimento dos circuitos de potência era moderna dos circuitos de potência, com o desenvolvimento de um sistema hidráulico usando óleo e substituindo os sistemas elétricos para elevar e controlar os canhões do navio USS Virgínia Desenvolvido nos EUA a primeira unidade hidráulica composta por bomba, controladores e atuadores II Guerra Mundial e conseqüente expansão econômica provocaram o desenvolvimento acelerado de circuitos de potência, chegando a situação atual, aonde existe um ilimitado número de aplicações para circuitos de potência. Momento atual - grande desenvolvimento na parte eletrônica de controle lógico e programável dos sistemas de potência e sua interligação via rede de comunicação. 1.3 Vantagens da utilização de circuito de potência
3 2 Existem três métodos básicos de se transmitir potência: elétrico, mecânico e hidráulico/pneumático. Atualmente, a indústria utiliza os três em conjunto para obter um sistema capaz de realizar trabalho da forma mais eficiente possível. Vantagens dos circuitos de potência: facilidade e precisão no controle; multiplicação de força; fornecimento de força ou torque constantes independentes de mudanças de velocidade; simplicidade, segurança e economia. Vantagens adicionais: reversão instantânea de movimento; proteção automática contra sobrecargas; controle de variação de velocidade infinito; mais alta razão entre potência fornecida por massa que qualquer outra fonte de energia conhecida. Desvantagens: vazamentos são impossíveis de eliminar totalmente. Linhas hidráulicas podem explodir se mal dimensionadas; a maioria dos óleos hidráulicos pode ocasionar incêndios se ocorrer vazamento sobre superfícies muito aquecidas. Conclusão: cada aplicação deve ser estudada cuidadosamente para que seja especificado o melhor circuito de potência possível. 1.4 Aplicações de circuitos de potência Dentre as aplicações já citadas, vamos falar de algumas em especial: Bondes teleféricos - normalmente, um bonde teleférico é fixo ao cabo de aço e este se movimenta para transportar os passageiros de um lado a outro da montanha. No caso do teleférico Skytram, o cabo de aço é estacionário (fixo), e o bonde é movimentado e controlado por um motor de oito cilindros a gasolina, conectado a um sistema de potência e um atuador rotativo, que transmite torque às roldanas e estas por sua vez movimentam o teleférico. Desta forma, o operador pode parar, acelerar e reverter o movimento do teleférico completamente independente de outros bondes que estejam na linha. Máquinas colheitadeiras - o crescimento da população mundial têm resultado em uma grande demanda para o desenvolvimento de produtos agrícolas. Circuito de potência vem sendo desenvolvido para resolver muitos problemas relativos a colheita de alimentos, principalmente cereais. Máquinas com escova rotativa para limpeza de pisos em indústria - estas máquinas são operadas e controladas por um motor hidráulico rotativo conectado ao eixo da escova, transmitindo torque para a mesma e promovendo a limpeza do piso. Posicionamento e fixação de peças para soldagem - este é um típico exemplo de como os sistemas de potência podem ser utilizados nas operações de manufatura e produção para reduzir custos e aumentar a produção, em torno de 400%, no caso de soldagem de peças para implementos agrícolas. Empilhadeiras industriais - o sistema hidráulico destas empilhadeiras inclui cilindros inclinados de dupla ação ou duplo curso e um cilindro para levantar a carga. A operação de inclinação das pinças favorece a estabilidade e o deslocamento da carga. Bioengenharia - Dr. Robert Jarvik fez história na medicina ao projetar um coração artificial atuado pneumaticamente, o qual deu uma sobrevida de 100 dias ao Dr. Barney Clark. Outras aplicações incluem rins artificiais e bexigas assistidas por válvulas pneumáticas, as quais empregam princípios de circuitos de potência para controle de pressão e fluxo. Mão pneumática - este sistema é projetado para estudar a habilidade da máquina e a manipulação humana em aplicações como robótica e senso tátil. Atuadores pneumáticos servo-controlados dão a mão capacidade de manipulação e manuseio. Parâmetros chaves da operação incluem alta velocidade nas tarefas de manipulação, facilidade no controle da força durante o manuseio de objetos com diferentes densidades. A mão possui três dedos e um polegar, cada qual com quatro graus de liberdade para se movimentar. Cada junta é posicionada por dois atuadores pneumáticos.
4 3 Braço hidráulico - este sistema é controlado e atuado hidraulicamente e possui a força e a habilidade para apertar parafusos com seus dedos. O sistema é tão sensível que pode lenta e cuidadosamente agarrar um ovo sem quebrá-lo. O braço foi desenvolvido para manusear ferramentas como martelos, furadeiras elétricas e pinças. O sistema tem 10 graus de liberdade, e pode ser empregado para manusear objetos abaixo da superfície do mar ou em ambientes nocivos ao homem. 1.5 Componentes de um circuito de potência Virtualmente, todos os circuitos de potência possuem os mesmos tipos de componentes, independente da aplicação. Existem seis componentes básicos requeridos no circuito hidráulico: reservatório de óleo; bomba; motor elétrico ou outra fonte de energia para a bomba; válvulas de controle direcional, de pressão e de vazão; atuador para converter a energia do fluido hidráulico em força mecânica, que pode ser cilíndrico ou rotativo; tubulação. Existem seis componentes básicos requeridos no circuito pneumático: reservatório de ar comprimido; compressor; motor elétrico ou outra fonte de energia para o compressor; válvulas de controle direcional, de pressão e de vazão; atuador para converter a energia do ar em força mecânica, que pode ser cilíndrico ou rotativo; tubulação. A sofisticação e a complexidade do circuito depende do tipo específico da aplicação. Notar que o ar utilizado para movimentar o atuador não é reutilizado. Ele sofre exaustão para a atmosfera, ao contrário do óleo hidráulico, que retorna ao reservatório. 1.6 Tipos de sistemas de controle para circuito de potência Circuitos de potência também são classificados pelo tipo de sistema de controle utilizado. Existem cinco tipos básicos de sistemas de controle: malha fechada, malha aberta, elétrico, lógica fluida, lógico programável. 1. Sistema de controle de malha fechada: são aqueles que usam feedback ou são retroalimentados. Isto significa que o estado de saída do sistema é automaticamente amostrado e comparado a entrada ou ao sinal de comando por meio de um dispositivo chamado transdutor de feedback. Se existe uma diferença entre o comando e o sinal de feedback, uma ação é tomada para corrigir a saída do sistema até que se atinja o requerimento operacional imposto sobre o sistema. Sistemas de malha fechada são freqüentemente chamados de servo-sistemas, e as válvulas usadas para dirigir o fluxo para os atuadores são chamadas servo-válvulas. Exemplo: a viscosidade do fluido hidráulico diminui com o aumento da temperatura, aumentando os vazamentos nos selos das bombas e, por sua vez, causando uma queda na velocidade do atuador. Se este atuador for um motor hidráulico, um tacômetro (transdutor de feedback que gera um sinal proporcional à velocidade de rotação) perceberá a queda na velocidade e enviará um sinal de retorno para ser comparado com o sinal de comando. A diferença entre os dois sinais será utilizada para controlar a servo-válvula, a qual aumentará a descarga de fluido até que a velocidade do atuador atinja o nível requerido. 2. Sistemas de controle de malha aberta: não usa feedback. Depende somente das características individuais dos componentes e de sua interação com o escoamento. A maioria dos circuitos de potência é de malha aberta, com menor complexidade e precisão que os circuitos de malha fechada, visto que alterações de temperatura ou pressão do fluido não são compensadas naquele circuito.
5 4 3. Sistemas de controle elétrico: caracterizado pelo fato de que o circuito de potência interage com uma variedade de componentes elétricos de controle. Por exemplo, componentes elétricos como pressostatos, limitadores de curso e relês podem ser usados para operar solenóides elétricos para controlar a operação das válvulas que dirigem o fluido hidráulico para os atuadores. Usado principalmente em máquinas operatrizes, na industria automotiva e de aviação, onde o controle remoto do circuito é desejável. Ao simples toque em um botão, o operador pode controlar centenas de operações para fabricar uma peça do começo ao fim. Estes sistemas podem ser de malha aberta ou fechada, dependendo da precisão requerida. 4. Sistemas de controle fluido-lógico: empregados normalmente em circuitos pneumáticos, são caracterizados pelo fato de que o circuito de potência interage com dispositivos fluidológicos, ao invés de dispositivos elétricos para controlar o sistema. O controle fluido-lógico é dividido em: partes lógicas móveis (MPL - moving-part logic) e fluidas, as quais realizam uma variedade de funções de controle e monitoramento. Estes sistemas direcionam o fluxo de ar de uma para outra saída de uma mesma válvula. 4.a. MPL - são válvulas em miniatura que, devido à ação de uma parte móvel interna, troca a saída do fluxo de ar. A parte móvel geralmente é um carretel, um cabeçote ou um diafragma, atuadas por meio de um deslocamento mecânico, voltagem elétrica ou pressão de um fluido. Devido ao fato do sistema de controle MPL consumir pouca energia, ser pequeno, ter vida útil elevada e um tempo de resposta rápido, ele é largamente empregado na área biomédica, em equipamentos de controle ambiental, em máquinas da indústria têxtil, em máquinas empacotadoras, na automação industrial computadorizada e em sistemas portáteis. Aplicação industrial: máquinas de furar para micro-orifícios, menores que 0,006 polegada. 4.b. Dispositivo fluido - este dispositivo utiliza as propriedades do escoamento do ar para controlar e monitorar o circuito de potência pneumático. O uso deste sistema difundiuse principalmente devido à não utilização de partes móveis. Como dispositivos eletrônicos usam pequenas correntes em oposição às imensas correntes elétricas aplicadas a linhas de transmissão, dispositivos fluidos empregam pequenos fluxos de ar a baixas pressões em oposição às altas pressões e fluxos requeridos para operar grandes prensas. 5. Sistema de controle lógico programável (CLP): empregados normalmente para controlar a operação de circuitos de potência, desde a bomba até os atuadores. Atualmente, os CLP s vem substituindo os relês eletromecânicos para controlar os sistemas de potência. Um CLP é um computador de interface amigável projetado para realizar funções lógicas como AND, OR e NOT para controlar a operação de equipamentos industriais e processos. Ele é constituído por processadores digitais que tomam decisões lógicas e as transmitem ao circuito de potência. Diferente de microcomputadores para uso geral, um CLP é projetado para operar em ambiente industrial aonde podem existir altas temperatura e umidade. Os CLP s oferecem várias vantagens sobre os controles com relês eletromecânicos, não havendo necessidade de troca de dispositivos devido à mudança de operação, pois eles possuem um software programável. Em adição, os CLP s são mais flexíveis e rápidos no controle do circuito, são mais compactos e podem ser facilmente expandidos. Os cinco tipos de sistemas de controle para circuito de potência apresentados serão discutidos em detalhe ao longo do curso. 1.7 A indústria de circuitos de potência
6 5 A indústria fabricante de circuitos de potência é imensa e mundial, com vendas anuais acima de $25 bilhões. No período de apresentou um crescimento em vendas de 48% somente nos USA. Aproximadamente 75% de todas as vendas são relativas a componentes hidráulicos e 25% aos pneumáticos. O futuro da indústria de sistemas de potência apresenta-se bastante promissor, especialmente quando consideramos que praticamente todos os produtos industriais têm sido processados de alguma forma com o emprego de sistemas hidráulicos e/ou pneumáticos. Como resultado, as oportunidades de especialização nesta área são atrativas. O acelerado crescimento desta indústria tem aberto novas oportunidades de trabalho em várias áreas, incluindo supervisores, engenheiros, técnicos, mecânicos, profissionais em venda e operadores. O engenheiro que hoje trabalha com projeto e análise de circuitos de potência deve ter um conhecimento aprofundado em software do tipo CAD. Em adição, atualmente existem poucas pessoas especializadas em sistemas hidráulicos e pneumáticos, o que pode encorajar os futuros profissionais a dedicaremse ao assunto. 1.8 Questões ambientais Novas leis e regulamentações ambientais sobre a operação de sistemas de potência tem sido estabelecidas. Para atender a elas, a indústria tem desenvolvido fluidos hidráulicos biodegradáveis, aprimorando as conexões para reduzir vazamentos e reduzindo o nível de ruído dos circuitos. 1. Desenvolvimento de fluidos biodegradáveis: esta questão lida com a prevenção de danos ambientais causados por vazamentos e disposição de fluido já utilizado. As companhias petroquímicas vem desenvolvendo fluidos com base vegetal biodegradável e compatível com os circuitos de potência. 2. Redução de vazamentos: para resolver esta questão, os fabricantes de componentes hidráulicos estão se esforçando para produzir sistemas com vazamento zero. Novos selos e conexões estão sendo projetados e podem, em princípio, eliminar por completo os vazamentos de fluido. 3. Redução de ruídos: unidades de potência hidráulica como bombas e motores podem operar em níveis de ruído nocivos aos operadores. Novos padrões de emissão acústica estabelecidos para ambientes fechados tem levado a indústria a desenvolver sistemas com níveis mais baixos de ruídos, adicionando filtros acústicos na linha. Adicionalmente, equipamentos para absorver vibrações vem sendo desenvolvidos. A resolução destas questões torna ainda mais promissora a carreira como especialista em sistemas de potência. Profissionais com esta formação são cada vez mais necessários para garantir que a indústria de circuitos de potência continue a auxiliar a produção de bens de forma segura, eficiente e econômica.
7 6 Lista de Exercícios 1. Porquê os circuitos de potência são particularmente úteis para realizar trabalhos de movimentação de cargas pesadas? 2. Apresente um equipamento onde possamos utilizar ou um sistema mecânico ou um sistema de potência e indique as vantagens e desvantagens deste último. 3. Quais são as diferenças básicas entre circuitos de potência hidráulicos e pneumáticos? 4. Liste cinco aplicações de circuitos de potência na indústria automotiva. 5. Em relação a um automóvel, o controle automático de velocidade é um circuito de potência de malha aberta ou fechada? Justifique sua resposta.
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