1. INTRODUÇÃO A automação dos processos industriais de produção vem crescendo dia após dia e, com ela, a necessidade do emprego de novas tecnologias cujo objetivo, na maior parte das vezes, busca substituir a presença do homem, principalmente nos trabalhos repetitivos ou naqueles que envolvem altos riscos de acidente para o operador. Uma das atividades que dispensa a presença do homem é o transporte de materiais a serem trabalhados em processos industriais como, por exemplos, a alimentação de matéria prima em máquinas-ferramenta e centros de usinagem, a transferência de uma peça a ser usinada de uma estação a outra de uma máquina operatriz, a introdução de uma chapa a ser estampada em uma prensa e a retirada da peça já conformada, a manipulação de produtos perigosos, enfim, um número infindável de aplicações que, algumas vezes, oferecem sérios riscos de acidentes que, além de provocarem prejuízos financeiros à indústria, podem ainda causar o afastamento do trabalhador de suas atividades profissionais. Uma das tecnologias cuja aplicação vem crescendo nas atividades acima mencionadas, substituindo com sucesso e segurança o operador, é a tecnologia do vácuo a qual será detalhada nesta edição. Apresentaremos, a seguir, os conceitos físicos fundamentais e os componentes pneumáticos envolvidos na tecnologia do vácuo, as características construtivas e de funcionamento desses elementos, bem como as aplicações das mais diversas encontradas na indústria da manufatura. 1
2. FUNDAMENTOS FÍSICOS Com o intuito de compreendermos melhor o princípio de funcionamento dos elementos geradores de vácuo e suas válvulas de comando, convém recapitularmos alguns conceitos físicos básicos relacionados com a Pneumática. Pneumática É a parte da Física que estuda o comportamento dos gases sob pressão, confinados em reservatórios ou tubulações. No nosso caso, estudaremos as características do ar comprimido e do vácuo e sua aplicação no movimento de máquinas, equipamentos e dispositivos industriais. Ar O ar atmosférico é uma substância insípida, incolor e inodora composta normalmente de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de outras substâncias tais como os gases nobres, partículas sólidas em suspensão e água em forma de vapor. O ar atmosférico, ao nível do mar, encontra-se a uma pressão de aproximadamente 1 Kgf/cm². Ar Comprimido O ar comprimido consiste normalmente do mesmo ar atmosférico com pressão acrescida de 4 a 10 vezes, com o intuito de realizar trabalhos que requerem maior energia pneumática. Pressão A pressão é definida como o resultado de uma força aplicada em cima de uma superfície. Se aplicarmos uma força equivalente ao peso de 1 Kg sobre uma superfície que possua 1 cm² de área, na região de contato da força com a superfície teremos uma pressão positiva correspondente a 1Kgf/cm². A figura, a seguir, ilustra como é gerada a pressão dentro de um recipiente cilíndrico, cheio de ar atmosférico, cuja tampa móvel é submetida à ação de uma força externa. 2
Unidades de Pressão São muitas as unidades de pressão encontradas nas escalas de equipamentos de medição hidráulicos e pneumáticos. No sistema técnico de medida métrico a pressão é medida em Kgf/cm²; isto porque a unidade de força utilizada é o Kgf, assim como as superfícies são determinadas em cm². Em alguns livros técnicos e instrumentos de medição de pressão podemos encontrar o Kp/cm² como unidade de pressão do sistema métrico, destacando que o 1 Kp (kilopondio) corresponde exatamente a uma força equivalente a 1 Kgf. Portanto, concluímos que podemos expressar a pressão no sistema métrico tanto em Kgf/cm² como em Kp/cm², considerando-se que as duas correspondem à mesma unidade. No sistema técnico de medida anglo-americano, considerando-se que a força é medida em libras (pounds) e a área de superfícies em polegadas quadradas (inch 2 ), a unidade de pressão é apresentada em Lbf/pol² ou PSI (Pounds per Square Inch). Considerando-se as devidas proporções entre o Kgf e a Lbf, assim como entre o cm² e a pol², a pressão de 1 Kgf/cm² no sistema métrico corresponde a 14,223 PSI no sistema anglo-americano. 3
No sistema internacional de medida (SI), foi adotada oficialmente como unidade de pressão o N/m²; isso porque a unidade de força utilizada é o Newton (N), assim como as superfícies são mensuradas em m². Em homenagem a Pascal, quem desenvolveu a teoria da pressão, no sistema internacional a unidade N/m² passou a ser denominada como Pascal (Pa), onde 1 Pa corresponde exatamente a 1 N/m². Considerando-se as diferenças de valores entre o N e o Kgf, bem como entre o cm² e o m², a pressão de 1 Kgf/cm² no sistema métrico corresponde a 9,81. 10 4 Pa no sistema internacional. Na indústria, além dessas unidades acima citadas, é muito comum encontrarmos outras unidades de pressão bastante empregadas. Como exemplo, podemos citar o bar, o atm e o milímetro de mercúrio (mmhg), unidade muito usada na medição de pressões negativas características de sistemas de vácuo. A seguir, apresentamos uma tabela comparativa entre as principais unidades de pressão comumente encontradas na indústria, com o intuito de facilitar, quando necessário, a conversão de valores entre essas unidades. TABELA DE CONVERSÃO DE UNIDADES DE PRESSÃO = Kgf/cm² Pa PSI bar atm mmhg 1 Kgf/cm² -------- 9,81. 10 4 14,223 0,981 0,9677 736 1 Pa 1,01. 10-5 -------- 14,49. 10-5 10-5 9,8. 10-6 7,5. 10-3 1 PSI 0,0703 6897,27 -------- 0,0689 0,0680 51,719 1 bar 1,0196 10 5 14,503 -------- 0,9867 750 1 atm 1,0333 1,01. 10 5 14,697 1,0134 -------- 760 1 mmhg 1,35. 10-3 133,288 1,93. 10-2 1,33. 10-3 1,31. 10-3 -------- Pressão Absoluta e Pressão Relativa O mundo em que vivemos está exposto à pressão exercida pelo peso do ar, chamada de pressão atmosférica. 4
A pressão atmosférica não é sempre constante. Ela varia de acordo com a altitude do local em observação e, também, com as condições meteorológicas. Se considerarmos um ponto de observação ao nível do mar, zero metros de altitude, a pressão atmosférica mede aproximadamente 1 Kgf/cm² em valor absoluto. Os instrumentos de medida de pressão, os manômetros, geralmente desconsideram a pressão atmosférica a qual estão submetidos e medem o valor da pressão hidráulica ou pneumática não em valor absoluto e sim relativo à pressão atmosférica. Essa é a razão dos ponteiros dos manômetros registrarem um valor zero quando expostos à pressão atmosférica quando, na verdade, deveriam registrar uma pressão de 1 Kgf/cm². Concluímos, portanto, que a pressão de zero Kgf/cm² corresponde, em valor absoluto, a um vácuo total que em valor relativo à pressão atmosférica corresponderia a 1 Kgf/cm². Vácuo A palavra vácuo, originária do latim vacuus, significa vazio. Entretanto, podemos definir tecnicamente que um sistema encontra-se em vácuo quando o mesmo está submetido a uma pressão inferior à pressão atmosférica. Utilizando o mesmo raciocínio utilizado anteriormente 5
para ilustrar como é gerada a pressão dentro de um recipiente cilíndrico, cheio de ar, se aplicarmos uma força contrária na tampa móvel do recipiente, em seu interior teremos como resultante uma pressão negativa, isto é, inferior a pressão atmosférica externa. Esse princípio é utilizado pela maioria das bombas de vácuo encontradas no mercado onde, por meio do movimento de peças mecânicas especialmente construídas para essa finalidade, procura-se retirar o ar atmosférico presente em um reservatório ou tubulação, criando em seu interior um vazio, ou seja, uma pressão inferior à pressão atmosférica externa. Um aspirador de pó caseiro, por exemplo, funciona a partir desse princípio. Quando ligamos o aspirador, uma bomba de vácuo acionada por um motor elétrico retira o ar atmosférico presente no interior da mangueira flexível, expulsando-o pela saída exaustora. Dessa maneira, gera-se uma pressão negativa na entrada do aspirador de modo que a pressão atmosférica do ambiente, sendo maior que o vácuo parcial gerado na mangueira, entra pela tubulação, levando com ela as partículas sólidas próximas da extremidade da mangueira. Essas partículas são então retidas dentro do aspirador, o qual permite que apenas o ar saia pelo pórtico de exaustão. A figura, a seguir, demonstra o funcionamento esquemático de um aspirador de pó que, por meio da técnica do vácuo, gera um fluxo contínuo de ar para captar e reter partículas sólidas presentes em superfícies expostas à pressão atmosférica. 6
Num sistema hidráulico, o vácuo também é importantíssimo na alimentação de uma bomba montada acima do nível de óleo do reservatório. Nesse caso, quando a bomba é colocada em funcionamento, os elementos internos da mesma retiram o ar atmosférico presente no tubo de sucção, formando um vácuo parcial na tubulação de entrada. Como o tubo de sucção está mergulhado no óleo do reservatório, a pressão atmosférica externa não pode entrar diretamente pela tubulação. Assim, a pressão atmosférica, agindo na superfície do óleo, empurra-o para dentro da tubulação, suprindo o espaço deixado pelo vácuo criado pela bomba e alimentando o sistema hidráulico, conforme ilustrado na figura a seguir. Efeito Venturi 7
Para aplicações industriais, existem outras formas mais simples e baratas de se obter vácuo, além das bombas já mencionadas. Uma delas é a utilização do princípio de Venturi. A técnica consiste em fazer fluir ar comprimido por um tubo no qual um giclê, montado em seu interior, provoca um estrangulamento à passagem do ar. O ar que flui pelo tubo, ao encontrar a restrição, tem seu fluxo aumentado devido à passagem estreita. O aumento do fluxo do ar comprimido, no estrangulamento, provoca uma sensível queda de pressão na região. Um orifício externo, construído estrategicamente na região restringida do tubo, sofrerá então uma depressão provocada pela passagem do ar comprimido pelo estrangulamento. Isso significa que teremos um vácuo parcial dentro do orifício que, ligado à atmosfera, fará com que o ar atmosférico cuja pressão é maior penetre no orifício em direção à grande massa de ar que flui pela restrição. A figura, a seguir, ilustra com é gerado um vácuo pelo princípio de Venturi. Outra forma muito utilizada para se obter vácuo é por meio da técnica do injetor de ar, uma derivação do efeito Venturi visto acima. Nessa técnica, pressuriza-se um bico injetor com ar comprimido e, nas proximidades do pórtico de descarga para a atmosfera, constrói-se um orifício lateral perpendicular à passagem do fluxo de ar pelo injetor. 8
O ar comprimido, fluindo a grande velocidade pelo injetor, provoca um vácuo parcial no orifício lateral que, conectado à atmosfera, fará com que o ar atmosférico penetre por ele em direção à massa de ar que flui pelo injetor. A próxima figura ilustra esquematicamente o funcionamento do bico injetor e o vácuo parcial gerado no orifício lateral. Partindo desse princípio, se uma ventosa flexível for montada no pórtico de vácuo parcial A, ao aproximá-la de um corpo qualquer, de superfície lisa, a pressão atmosférica, agindo na face externa da ventosa, fará com que a mesma se prenda por sucção à superfície do corpo. Considerando-se que entre a ventosa e a superfície do corpo há um vácuo parcial cuja pressão é menor que a da atmosfera, a ventosa permanecerá presa à superfície do corpo pela ação da pressão atmosférica, enquanto houver vácuo, ou seja, durante o tempo em que for mantido o fluxo de ar comprimido de P para R. 9
Essa técnica, conhecida como tecnologia do vácuo, vem crescendo dia após dia na indústria, tanto na manipulação de peças como no transporte de materiais a serem trabalhados. Seja qual for a aplicação, no projeto de um sistema de vácuo, é importante serem observados os seguintes aspectos: - o efeito do ambiente sobre os componentes do sistema; - as forças necessárias para movimentação das peças ou materiais; - o tempo de resposta do sistema; - a permeabilidade dos materiais a serem manipulados ou transportados; - o modo com as peças ou materiais serão fixados; - a distâncias entre os componentes; - os custos envolvidos na execução do projeto. É importante destacar, ainda, que a aplicação segura dessa tecnologia depende do dimensionamento correto das ventosas e dos geradores de vácuo, em função do formato e do peso 10
dos corpos a serem manipulados ou transportados, bem como do projeto exato dos circuitos pneumáticos e eletropneumáticos que comandarão todo o sistema de vácuo. Com relação à escolha correta dos componentes a serem empregados num sistema de vácuo, deve-se considerar, de um modo geral, a seguinte seqüência: - o tipo, o tamanho e o posicionamento das ventosas; - o modelo ideal do elemento gerador de vácuo; - as válvulas pneumáticas de comando e controle do sistema; - as características construtivas e de utilização de tubos, mangueiras e conexões; - o conjunto mecânico de sustentação das ventosas e os acessórios. Todos esses componentes, bem como seus aspectos construtivos, de dimensionamento e de funcionamento, serão abordados em detalhes nos capítulos seguintes, de forma a fornecer todos os subsídios necessários ao projeto de um sistema de vácuo eficiente e seguro. 11