[Apostila] Sistemas Fluidosmecânicos - USP

7/31/2019 [Apostila] Sistemas Fluidosmecnicos - USP

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Escola Politcnica da USPDepartamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos

PMR 2480 - SISTEMAS FLUIDOMECNICOS

Apostila de Pneumtica

Prof. Dr. Emlio Carlos Nelli Silva

:

So Paulo, 2002


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Escola Politcnica da Universidade de So PauloDepto. de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos

Pneumtica

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ndice

1. Introduo .........................................................................................6

2. Comportamento do Ar Comprimido ..........................................................9

2.1 Presso ........................................................................................9

2.2 Gs Ideal......................................................................................11

2.3 Ar e Ar Comprimido ....................................................................12

3. Tecnologia de Acionamento Pneumtico............................................18

4. Caractersticas dos Sistemas Pneumticos ..........................................20

5. Produo, Preparao e Distribuio de Ar Comprimido ....................23

5.1 Qualidade do Ar Comprimido ...................................................... 23

5.2 Sistema de Produo e Preparao do Ar Comprimido................. 24

5.3 Compressores ..............................................................................265.3.1 Compressor de mbolo.........................................................27

5.3.2 Compressores Rotativos .......................................................29

5.3.3 Turbo-Compressores ............................................................31

5.4 Secagem do Ar Comprimido ........................................................32

5.4.1 Resfriamento ........................................................................33

5.4.2 Adsoro..............................................................................33

5.4.3 Absoro ..............................................................................345.4.4 Sobrepresso ........................................................................35

5.5 Distribuio de Ar Comprimido....................................................35

5.6 Tratamento do ar Comprimido .....................................................38

5.6.1 Filtro ....................................................................................39

5.6.2 Vlvula Reguladora de Presso.............................................40

5.6.3 Lubrificador..........................................................................41

6. Atuadores Pneumticos .............................................................................426.1 Atuadores Lineares ......................................................................43


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6.1.1 Cilindro de Simples Ao......................................................43

6.1.2 Cilindro de Dupla Ao ........................................................44

6.1.3 Cilindros de Membrana.........................................................44

6.1.4 Cilindro de Dupla Ao com Haste Passante .........................45

6.1.5 Cilindro Sem Haste...............................................................46

6.1.6 Cilindro de Mltiplas Posies..............................................47

6.1.7 Cilindro Tandem...................................................................48

6.1.8 Cilindro de Percusso ...........................................................49

6.1.9 Cilindro Telescpico.............................................................49

6.2 Atuadores Rotativos ....................................................................50

6.3 Unidades Hidropneumticas.........................................................51

6.4 Execuo Prtica de um Cilindro Pneumtico...............................52

6.5 Amortecimento de Fim de Curso..................................................54

6.6 Dimensionamento e Caractersticas de um Cilindro

Pneumtico ........................................................................................546.6.1 Exerccios.............................................................................55

6.6.2 Flambagem nos cilindros.......................................................57

7. Outros Dispositivos Pneumticos...............................................................59

7.1 Mesa Pneumtica .........................................................................59

7.2 Pina Pneumtica ......................................................................... 59

8. Motores Pneumticos ................................................................................60

8.1 Motores Rotativos .......................................................................62

8.1.1 Motor de Palhetas.................................................................62

8.1.2 Motor de Engrenagens e Motor Roots..................................62

8.2 Motores de Pistes.......................................................................63

8.3 Motores de Turbina......................................................................64

9. Vlvulas Pneumticas ................................................................................65

9.1 Vlvulas Direcionais.....................................................................67

9.1.1 Princpio de Funcionamento..................................................67


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Pneumtica

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9.1.2 Acionamento das Vlvulas Direcionais..................................67

9.1.3 Execuo Construtiva das Vlvulas.......................................68

9.1.4 Exausto Cruzada.................................................................70

9.1.5 Tipos de Vlvulas Direcionais.............................................. 70

9.1.6 Especificao das Vlvulas Direcionais .................................74

9.2 Vlvulas de Bloqueio ...................................................................75

9.2.1 Vlvula de Reteno .............................................................75

9.2.2 Vlvula Alternadora (OU) .................................................75

9.2.3 Vlvula de Duas Presses (E)............................................76

9.2.4 Vlvula de Escape Rpido.....................................................76

9.3 Vlvulas de Fluxo ........................................................................77

9.3.1 Vlvula Reguladora Unidirecional.........................................78

9.3.2 Vlvulas de Fechamento ....................................................... 79

9.4 Vlvulas de Presso .....................................................................80

9.4.1 Vlvula Regulador de Presso...............................................809.4.2 Vlvula Limitadora de Presso..............................................80

9.4.3 Conversores pneumtico-eltrico ou pressostatos..................80

9.5 Regulagem dos compressores.......................................................81

9.5.1 Regulagem de marcha vazio..................................................81

9.5.2 Regulagem de carga parcial...................................................83

9.5.3 Regulagem intermitente ........................................................83

10. Temporizadores Pneumticos ..................................................................85

11. Amplificadores Pneumticos....................................................................87

11.1 Amplificador de Presso Monoestgio ...................................87

11.2 Amplificador de Presso de Duplo Estgio............................. 88

12. Circuitos Pneumticos .............................................................................89

12.1 Seqncia de Movimento dos Pistes.........................................92

12.2 Mtodos de Projeto de Circuitos Pneumticos............................94

12.2.1 Mtodo Intuitivo.................................................................94


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12.2.2 Mtodo Passo-a-Passo........................................................99

13. Exemplos de Aplicao de Pneumtica ....................................................104

14. Eletropneumtica.....................................................................................108

15. Sensores Pneumticos..............................................................................114

15.1 Sensor de Reflexo.....................................................................114

15.2 Barreira de ar .............................................................................117

15.3 Sensores e interruptores pressostticos.......................................119Bico pressosttico .........................................................................119

Interruptor pressosttico................................................................120

16. Bibliografia..............................................................................................121


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1. Introduo

Como j comentado na apostila sobre motores eltricos, um sistema de

automao industrial constitudo de trs tipos de elementos:

Sensores

Controladores (comando e regulao)

Ataudores (acionamento)Cada um desses elementos pode ser implementado usando-se trs tipos de energia:

Pneumtica

Hidrulica

Eltrica

A utilizao de sensores e motores eltricos (j apresentado) abrange uma grande

gama de aplicaes, no entanto existem situaes em que somente a energia hidrulica e

pneumtica oferecem uma soluo mais eficiente e de baixo custo. Alm disso, emalgumas aplicaes no permitido a ocorrncia de fascas eltricas (pintura de

automvel, mina de carvo, fbrica de armamentos, etc..), no sendo interessante nesse

caso utilizar motores eltricos, por exemplo.

Assim, atuadores hidrulicos so utilizados quando cargas da ordem de at centenas

de toneladas esto envolvidas, como por exemplo em tratores, guindastes, ou quando se

deseja uma alta preciso de posicionamento, como em mquinas de usinagem de

preciso, micromanipuladores, etc..., que em geral no podem ser obtidos com motores

e sistemas eltricos.

Atuadores pneumticos so utilizados quando esto envolvidas cargas da ordem de

at uma tonelada) onde se deseja movimentos de duas posies (incio e fim) limitadas

por batentes mecnicos, como em mquinas de fixao ou transporte de peas, ou

quando se deseja altas rotaes (milhares de r.p.m.), como no caso de fresadoras

pneumticas, broca de dentista, etc...

Eventualmente encontraremos equipamentos em que ocorre uma combinao do

uso das energias acima. Por exemplo, em sistemas eletropneumticos temos atuadores


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pneumticos acionados por controladores eltricos ou eletrnicos, bem como, sensores

eltricos ou pneumticos. O mesmo ocorre em sistemas eletrohidrulicos.

Em equipamentos de automao industrial, em particular, nas mquinas SMD que

inserem componentes eletrnicos em placas de circuito impresso, encontramos

principalmente sistemas eltricos e pneumticos. Nessa apostila ser abordado o tpico

sobre sistemas pneumticos.

Pneumtica o ramo da engenharia que estuda a aplicao do ar comprimido para a

tecnologia de acionamento e comando. Na verdade o uso do ar comprimido como fonte

de energia pelo homem data de 2550 AC. Nessa poca eram fabricados foles e rgos

que essencialmente geram sons baseado no escoamento do ar sob presso em tubos com

furos. O ar comprimido era produzido por uma bomba acionada manualmente. No

sculo XIX, surgiram as primeiras mquinas pneumticas complexas, as locomotivas e

perfuratrizes (nas minas de carvo). Na verdade, essas mquinas utilizavam vapor

superaquecido e no ar comprimido propriamentre dito, no entanto os princpios

envolvidos no funcionamento so idnticos. No entanto, foi no sculo XX, que apneumtica passou a ser aplicada na automao industrial e se desenvolveu ao ponto

que conhecida hoje.

Atualmente existem vrias aplicaes da pneumtica no meio industrial e mesmo na

nossa vida diria. Entre alguns exemplos de aplicaes atuais de pneumtica podemos

citar:

prensas pneumticas;

dispositivos de fixaao de peas em mquinas ferramenta e esteiras; acionamento de portas de um nibus urbano ou dos trens do metr;

sistemas automatizados para alimentao de peas;

robs industriais para aplicaes que no exijam posicionamento preciso;

freios de caminho;

parafusadeiras e lixadeiras;

broca de dentista;

pistola de pintura; correio pneumtico.


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A seguir so apresentados os conceitos de gerao, preparao e distribuio de ar

comprimido, atuadores e vlvulas que compem os sistemas pneumticos, alm de

outros dispositivos.


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2. Comportamento do Ar Comprimido

Para entender as caractersticas dos sistemas pneumticos necessrio estudar o

comportamento do ar. Para isso apresentado inicialmente o conceito de gs ideal. No

estudo do comportamento dos gases de grande importncia o conceito de presso que

ser dado a seguir.

2.1 Presso

Os gases so formados por molculas em agitao (movimento) que produzem

foras de presso no recipiente em que o gs est contido. Indicaes de presso podem

ter como referncia o ponto zero absoluto (vcuo) ou a presso atmosfrica. Por isso

fala-se em presso absoluta e presso relativa. A presso atmosfrica produzida pela

camada de ar que envolve a terra e depende da densidade e da altitude, portanto esta no

tem um valor constante. A presso atmosfrica ao nvel do mar vale 1,013 bar (=1,013103 N/m2 = 103 Pa).

A figura 2.1.1 indica o conceito de presso relativa e absoluta.

Figura 2.1.1 - Presses relativa e absoluta.

Onde:

0 - zero absoluto da presso;

1 - presso atmosfrica;


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2 - presso absoluta (pa);

3 - presso relativa positiva +pe;

4 - presso relativa negativa +-pe;

Por definio pe=pa-1bar. Assim, usando o zero absoluto (vcuo) como ponto de

referncia, os dados de presso se definem como presso absoluta, enquanto que usando

a presso atmosfrica como ponto de referncia os dados de presso se definem como

presso relativa. Note que a presso relativa pode ser positiva ou negativa, mas a

presso absoluta sempre positiva. A figura 2.1.2 indica as medies de presso

absoluta e relativa nos pontos 1 e 2.

Figura 2.1.1 - Exemplo de medio de presses absoluta e relativa.

Assim, no ponto 1 a presso absoluta vale 2,5 bar e a relativa 1,5 bar, enquanto

no ponto 2 a presso absoluta vale 0,2 bar e a relativa vale -0,8 bar.

O valor da presso normalmente indicado com um manmetro. Existem trs

tipos de manmetro: manmetro de tubo de Bourdon (ver figura 2.1.3), diafragma

ondulado, mbolo com mola.


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Figura 2.1.3 - Manmetro de tubo de Bourdon.

2.2 Gs Ideal

Os gases ocupam a totalidade do volume disponvel e produzem foras de

compresso devido ao movimento das molculas que produzido pelo efeito do calor.

Numa mistura de gases, cada gs se comporta como se os outros no existissem. A

presso total da mistura igual a soma das presses individuais (presso parcial) de

cada gs.

O vapor produzido pela evaporao de lquidos. Dependendo da temperatura

pode haver evaporao at a presso mximade vapor, tratando-se nesse caso de vapor

saturado. Os gases podem ser entendidos como vapores superaquecidos e obedecem

aproximadamente s leis fsicas dos gases. J vapores saturados no obedecem s leis

fsicas dos gases. No estudo dos gases so comuns os termos gases ideais e gases reais.

O gs real como definido acima, um vapor superaquecido que apresenta uma certa

temperatura de condensao (se torna lquido). J o gs ideal no condensa no

resfriamento at o ponto zero absoluto, consistindo num estado ideal (modelo) que

facilita o equacionamento terico do seu comportamento, mas no ocorre na prtica. No

entanto, visto que o ponto de condensao dos gases reais ocorre em baixas

temperaturas e altas presses, pode-se na pneumtica a princpio, tratar o gs real com

suficiente exatido como gs ideal.


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O estado de um gs determinado por trs grandezas fsicas: presso (P),

volume (V) e temperatura (T). Essas trs grandezas esto relacionadas pela equao

geral de estado, descrita a seguir:

.cteT

PV= (2.2.1)

onde a unidade da temperatura Kelvin (K). Outra forma dessa equao, considerando

uma massa de ar m, :

mRTPV = (2.2.2)

onde R a constante do gs que igual 287 J/Kg.K para o ar. Assim, a densidade ()

do gs dada por:

RT

p

V

m== (2.2.3)

Da equao (2.2.1) observa-se que se a temperatura for mantida constante

(processo isotrmico) o produto presso pelo volume constante. Se a presso for

mantida constante, a razo entre volume e temperatura mantida constante. Se ovolume for mantido constante, a razo entre presso e temperatura mantida constante.

2.3 Ar e Ar Comprimido

O ar da atmosfera uma mistura de gases composto de 78% de Nitrognio, 21%

de oxignio e 1% de outros gases (ver figura 2.3.1).

Figura 2.3.1 - Composio do ar.

O ar contm adicionalmente gua em forma de vapor. A capacidade de absorode vapor d'gua no ar depende da temperatura, porm no da presso. Se a capacidade


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mxima de absoro for ultrapassada o vapor d'gua condensa e precipita na forma de

gua condensada (neblina, pingos, etc.). A umidade mxima do ar (fmax) o volume

mximo de vapor d'gua possvel numa temperatura t. A umidade absoluta do ar (f ) a

quantidade de vapor d'gua expressa em gramas efetivamente contida numa unidade de

volume. A umidade relativa do ar () tambm chamada de grau de saturao e

expressa por:

%100maxf

f

= (2.3.1)

A tabela 2.3.1 indica o contedo mximo de gua no ar saturado em cada

temperatura.

Tabela 2.3.1 - Contedo de gua no ar saturado em cada temperatura.

Como a umidade mxima varia com a temperatura comum se expressar a

umidade mxima pelo seu valor de temperatura correspondente que chamado ponto de

orvalho. O ponto de orvalho tambm pode ser definido como a temperatura qual deveser esfriado um gs para obter a condensao do vapor d'gua.

O ar comprimido o ar atmosfrico condensado, que possui energia de presso

armazenada e portanto est em condio de realizar trabalho. Durante a compresso se

produz calor. Quando o ar comprimido se expande, ocorre um resfriamento. Vejamos

alguns exerccios que envolvem os conceitos fornecidos at aqui.


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Exerccio 2.3.1

O reservatrio de ar comprimido de um compressor tem um volume de 10 m3

como mostrado na figura 2.3.2. O reservatrio se encontra preenchido com ar

comprimido com uma presso relativa igual 7 bar e uma temperatura de 20C.

Figura 2.3.2 - reservatrio de um compressor.

1. Qual a quantidade de ar, considerando o estado normalizado (1 bar, 20C) que

contm o reservatrio e qual a quantidade mxima utilizvel?

2. Que presso se forma com o reservatrio fechado num aumento de temperatura para

65C? (desprezar dilatao do reservatrio).

Soluo:

1. Pabs=7+1=8 bar, portanto: P1abs*V1=P2abs*V2 32 m801

8*10V ==

e assim: V2util= 80 10 = 70 m3

2. bar9,2220)(273

25)(273*8P

T

T

P

P2

2

1

2a

1a =+

+==

Exerccio 2.3.2

Uma ferramenta pneumtica operada por um cilindro de gs cheio de ar

comprimido como mostrado na figura 2.3.3. A presso de preenchimento de 205 bar

absoluto, a uma temperatura de 20C e a capacidade do cilindro de gs de 40 litros. A

ferramenta operada com uma presso de trabalho igual 4 bar e consome 200

litros/min de ar, referentes a 1 bar e 20C.


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Figura 2.3.3 - Cilindro de gs.

1. Por quanto tempo a ferramenta poder ser operada com o cilindro, em operao

contnua?

2. Qual o tempo de funcionamento com 20% de vazo de utilizao?

3. A qual valor de presso se reduz o cilindro de gs que foi preenchido 20C quando

este for empregado ao ar livre a uma temperatura ambiente de -5C?

Soluo:

1. A operao ocorre at que a presso final seja igual 5 bar, assim:

Pi = 205 bar; Vi= 40 L; Pf=4+1 = 5 bar ; Vf=40 L

205*40= (1 bar ) * Vi1 Vi1=8200 L; 5*40=(1 bar)*Vf2 Vf2=200 L

Assim: Vutil = 8200-200=8000L e portanto: tuso=8000/200=40 min

2. Vazo = 0,2*200= 40 L/min e portanto: tuso=8000/40=3h 20min

3. Temos: bar5,187293

268*205

T

TPP

1

313 ===

Exerccio 2.3.3

Considere o percurso do ar aspirado numa central compressora como mostrado

na figura 2.3.4. O ar atravessa as estaes: compressor, resfriador, rede e chega ao

comsumidor. As caractersticas do ar aspirado (umidade, temperatura e presso), e a sua

temperatura ao longo do percurso so dados na figura 2.3.4. O ar comprimido no

compressor a uma presso de 6 bar relativa.


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Figura 2.3.4 - Fluxo de ar numa central compressora.

Calcule a quantidade de gua que condensa em cada estao.

Soluo:

1. Suco: P0=1bar 61*393

293*

1

8V*

T

T*

P

PV 1

1

0

0

10 ===

=50% V0=6 m3

fmax=17,2 g/m3 T0=20 Cf=*fmax m=0,5*17,2*6 = 51,6g

2. Compressor: P1=8barfmax > 600 g/m3 T1=120 C e V1=1 m

3


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f=51,6 g/m3 < fmax No h condensao

3. Resfriador: P2 P1 = 8 bar 311

22 m0,771*393

303V*

T

TV ===

fmax=30 g/m3 T2=30 C e V2=0,77 m3

== 3g/m670,77

51,6f condensa: 51,6 - 30*0,77 = 51,6 - 23,1 = 28,5 g

4. Rede ponto 1: P3 P1 322

33 m0,740,77*

303

293V*

T

TV ===

fmax=17,2 g/m3 T3=20 C e V3=0,74 m3

g4,107,121,2374,0*2,171,23maxfg/m31,20,74

23,1f 3 ==>== (condensa)

5. Rede Ponto 2: P4 P1 333

44 m0,690,74*293

273V*

T

TV ===

fmax=4,9 g/m3 T4=0 C e V4=0,69 m3

g3,99,37,1269,0*9,47,12maxfg/m18,7

0,69

12,7f 3 ==>==

6. Consumo: P5 P1 344

55 m0,740,69*273

293V*

T

TV ===

fmax=17,2 g/m3 T5=20 C e V5=0,74 m3


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3. Tecnologia de Acionamento Pneumtico

Assim, como no caso dos motores eltricos, o sistema de acionamento pneumtico

constitudo pelos elementos mostrados na figura 3.1.

Gerao de arcomprimido:

Compressor

acionado por

motor eltrico

ou de combusto.

Comando de potncia:

vlvulas direcionais

vlvulas de reteno

vlvulas de vazo vlvulas de presso

vlvulas especiais

Sistemas de

Comando:

vlvulas

sistemas lgicos

pneumticos

unidades

programveis

Trabalho

mecnico

Atuadores

pneumticos:

motores

cilindros

ferramentas

Figura 3.1 - Sistema de acionamento pneumtico.

Os sistemas de comando so os responsveis por controlar o atuador pneumtico

mediante a informao dos sensores. Pode consistir num microcomputador por

exemplo. J o sistema de comando de potncia vai converte os sinais recebidos do

sistema de comando em sinais de nveis de energia coerente para acionar os atuadores.

A tabela 3.1 mostra uma comparao entre os sistemas eltrico, pneumtico,

hidrulico e mecnico do ponto de vista de energia, comando e acionamento.


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4. Caractersticas dos Sistemas Pneumticos

Analisando as caractersticas do ar comprimido comentadas anteriormente podemos

entender as caratersticas dos sistemas pneumticos.

Entre as vantagens da utilizao do ar comprimido temos:

Facilidade de obteno (volume ilimitado);

No apresenta riscos de fasca em atmosfera explosiva; Fcil armazenamento;

No contamina o ambiente (limpo e atxico);

No necessita de linhas de retorno (escape para a atmosfera), ao contrrio de

sistemas eltricos e hidrulicos;

Acionamentos podem ser sobrecarregados at a parada.

No entanto, o ar apresenta vapord'gua (umidade) como comentado. Esse vapor

d'gua pode se condensar ao longo da linha pneumtica dependendo das condies depresso e temperatura ao longo da linha. Se no houver um sistema para retirar a gua,

ela pode se acumular causando corroso das tubulaes.

O ar apresenta tambm uma baixa viscosidade. A viscosidade mede a facilidade

com que um fluido (gs ou lquido) escoa. Se um fluido tem baixa viscosidade implica

que ele pode escoar por pequenos orficios e portanto a chance de ocorrer vazamentos

muito grande. Assim, vazamentos de ar em linhas pneumticas so muito comuns.

Outro ponto importante a compressibilidade do ar. Se considerarmos umatuador pneumtico que essencialmente um pisto acionado pelo ar no conseguimos

fazer esse pisto parar em posies intermedirias com preciso, pois o esforo na haste

do pisto comprime o ar retirando o pisto da sua posio inicial de parada. Por isso, os

atuadores pneumticos possuem apenas duas posies limitadas por batentes mecnicos,

uma vez que no possvel atingir posies intermedirias com preciso. Esse problema

j no ocorre com os atuadores hidrulicos, pois o leo incompressvel. Alis, algumas

mquinas que exigem alta preciso de posicionamento usam atuadores hidrulicos.Nesse sentido os circuitos pneumticos so anlogos aos circuitos eletrnicos digitais e


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os circuitos hidrulicos so anlogos aos circuitos eletrnicos analgicos. Outra

dificuldade imposta pela compressibilidade do ar o controle e estabilidade da

velocidade dos atuadores. Os atuadores pneumticos no apresentam velocidades

uniformes ao longo de seu curso.

As tabelas 4.1 e 4.2 comparam as caractersticas das tecnologias de acionamento

e sistemas de comando para os sistemas hidrulico, eltrico e pneumtico.

Tabela 4.1 - Comparao da tecnologia de acionamento para os sistemas eltrico, pneumtico e

hidrulico.


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5. Produo, Preparao e Distribuio de ArComprimido

5.1 Qualidade do Ar Comprimido

Os equipamentos pneumticos (principalmente as vlvulas) so constitudos de

mecanismos muito delicados e sensveis e para que possam funcionar de modo

confivel, com bom rendimento, necessrio assegurar determinadas exigncias de

qualidade do ar comprimido, entre elas:

Presso

Vazo

Teor de gua

Teor de particulas slidas

Teor de leo

As grandezas de presso e vazo esto relacionadas diretamente com a fora e

velocidade, respectivamente, do atuador pneumtico. Cada componente penumtico tem

sua especificao prpria de presso e vazo de operao. Para atender a essas

especificaes necessrio suficiente vazo no compressor, correta presso na rede e

tubulao de distribuio corretamente dimensionada em funo da vazo.

J gua, leo e impurezas tem grande influncia sobre a durabilidade e

confiabilidade de componentes pneumticos. O leo em particular usado para

lubrificar os mecanismos dos sistemas pneumticos. Dependendo da aplicao as

exigncias do ar com relao gua, leo e impurezas so diferentes. A tabela 5.1.1

mostra uma classificao do ar com relao a diferentes teores desses elementos.


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Tabela 5.1.1 - Classificao do ar com relao a teores de gua, leo e impurezas.

A tabela 5.1.2 mostra as especificaes do ar exigidas em cada aplicao.

Tabela 5.1.2 - Especificao do ar para diferentes aplicaes.

Assim o ar deve passar por um tratamento rigoroso, que envolve filtros,

secadores e lubrificadores, antes de ser distribudo na fbrica.

5.2 Sistema de Produo e Preparao do Ar Comprimido

A figura 5.2.1 mostra as etapas que o ar comprimido passa desde a sua gerao e

tratamento at ser distribudo nas mquinas. Em geral, o ar comprimido produzido de

forma centralizada e distribudo na fbrica. Para atender s exigncias de qualidade, o ar

aps ser comprimido sofre um tratamento que envolve:

Filtrao

Resfriamento


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Secagem

Separao de impurezas slida e lquidas inclusive vapor d'gua

Figura 5.2.1 - Gerao, tratamento e distribuio do ar comprimido.

Nessa figura cada equipamento por onde o ar passa representado, por um

smbolo. Em pneumtica existe uma simbologia para representar todos os equipamentos

pneumticos. Assim esto representados na figura por exemplo, os smbolos do filtro,

compressor, motor (eltrico ou de combusto), resfriador, secador e reservatrio.

Na figura 5.2.1 vemos que o ar aspirado pelo compressor, que a mquina

responsvel por comprimir o ar. A taxa de compresso em geral 1:7, ou seja, o ar

atmosfrico 1 bar comprimido para 7 bar. Na entrada do compressor existe um filtro

para reter partculas slidas do ar do meio ambiente. Ao ser comprimido, o ar aquece

aumentando a temperatura em 7 vezes, como j visto. Assim necessrio resfri-lo, pois

a alta temperatura pode danificar a tubulao. Aps o resfriamento o ar passa por um

processo de secagem na tentativa de remover a gua do ar que est sob a forma de

vapor, alm disso sofre uma filtrao para eliminar partculas slidas introduzidas pelo

compressor, por exemplo. O ar ento armazenado num reservatrio que tem duas

funes:

Garantir uma reserva de ar de maneira a garantir que a presso da linha se mantenha

constante, evitando que o compressor tenha que ser ligado e desligado vrias vezes.

Note que o consumo de ar na fbrica varivel ao longo do expediente.


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Alguns compressores, como o compressor de mbolo (ver adiante) geram pulsos de

presso na compresso do ar. O reservatrio evita que esses pulsos de presso sejam

transmitidos para linha pneumtica da fbrica.

Do reservatrio, o ar distribudo na fbrica e em cada mquina existe uma unidade

de tratamento de ar (descrita adiante no tem 5.7) que ir ajustar as caractersticas do ar

comprimido de acordo com as necessidades especficas da mquina. O ar comprimido

ento convertido em trabalho mecnico pelos atuadores pneumticos

5.3 Compressores

O compressor uma mquina responsvel por transformar energia mecnica (ou

eltrica) em energia penumtica (ar comprimido), atravs da compresso do ar

atmosfrico. A figura 5.3.1 mostra a classificao dos compressores existentes que sero

descritos a seguir.

Figura 5.3.1 - Classificao dos compressores existentes.

Os compressores de mbolo e rotativo se caracterizam por comprimir

mecanicamente um volume fixo de ar em cada ciclo. J o turbo-compressor comprime o

ar forando o seu escoamento por um bocal (difusor), ou seja, transforma a sua energia

cintica em energia de presso.


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A figura 5.3.2 indica a regio de atuao de cada compressor no grfico presso

em funo da vazo de operao.

Figura 5.3.2 - Regio de atuao de cada compressor no grfico presso X volume.

Na seo 9.5 ser descrito os mtodos de regulagem dos compressores para

combinar o volume de fornecimento com o consumo de ar .

5.3.1 Compressor de mbolo

Consiste num mecanismo biela-manivela (igual ao motor de um automvel)

acionado por um motor eltrico ou de combusto, como mostrado na figura 5.3.1.1.


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Figura 5.3.1.1 - Compressor de mbolo monoestgio e multi-estgio.

Nesse compressor, o pisto aspira o ar atravs da vlvula de aspirao e o

comprime no curso de compresso at atingir a presso desejada quando abre a vlvula

de presso. So os mais usados ("compressor do dentista") pois tem uma larga faixa de

operao como mostrado na figura 5.3.2.

So econmicos na faixa de presso de 8 a 10 bar. Quando a razo de

compresso necessria muito alta ocorrem perdas trmicas muito altas, e nesse caso

deve-se usar a verso multiestgio (ver figura 5.3.1.1), em que a cada estgio ocorre um

aumento da presso melhorando-se o rendimento. Em torno de cada pisto existem

aletas para a dissipao do calor gerado na comrpesso. Em alguns casos necessrio

um sistema de refrigerao gua.

Esse compressor apresenta como desvantagem a gerao de oscilaes de

presso alm de um fluxo de ar pulsante.

Uma variao desse compressor, chamado compressor de membrana

apresentado na figura 5.3.1.2. Possui uma membrana ao invs de um pisto. A idia

isolar o ar a ser comprimido das peas do compressor evitando resduos de leo.

muito utilizado nas indstrias alimentcia e farmacutica, por exemplo.


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Figura 5.3.1.2 - Compressor de membrana.

5.3.2 Compressores Rotativos

5.3.2.1 Compressor de Palhetas

Trata-se de um rotor que gira no interior de uma carcaa acionado por um motoreltrico ou de combusto. O rotor est excntrico carcaa e apresenta palhetas ao seu

redor que podem deslizar em guias como mostrado na figura 5.3.2.1.1.

Figura 5.3.2.1.1 - Compressor de palhetas.

Note que o volume de ar aspirado ligeiramente comprimido ao longo do

percurso do rotor. Dessa forma, o fluxo gerado pouco pulsante, mas opera em faixas

de presso menores do que a do compressor de mbolo. A faixa de operao mostrada

na figura 5.3.2. A lubrificao feita por injeo de leo.


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Figura 5.3.2.3.1- Compressor Roots.

5.3.3 Turbo-Compressores

5.3.3.1 Turbo Compressor Axial

O ar passa por rodas girantes atinge altas velocidades e no ltimo estgio,

atravs de um difusor, a energia cintica do fluxo de ar convertida em presso como

mostrado na figura 5.3.3.1.1. Geram altas vazes de ar, porm como em cada estgio apresso muito baixa faz se necessrio a montagem de muitos estgios para alcanar

presses maiores.

Figura 5.3.3.1.1- Compressor Axial.

5.3.3.2 Turbo Compressor Radial

A aspirao ocorre no sentido axial sendo o ar conduzido no sentido radial para

a sada como mostrado na figura 5.3.3.2.1. Apresentam as mesmas caractersiticas dos


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compressores axiais (altas vazes e baixas presses). Observa-se pelo figura 5.3.2 que

esse compressor apresenta uma larga faixa de operao.

Figura 5.3.3.2.1- Compressor radial.

5.4 Secagem do Ar Comprimido

O ar possui gua na forma de vapor. Este vapor d'gua aspirado pelo

compressor junto com o ar. Esse vapor pode se condensar ao longo da linha dependendo

da presso e temperatura. A gua acumulada pode ser eliminada atravs de filtros

separadores de gua e drenos dispostos ao longo da linha. No entanto um filtro no pode

eliminar vapor d'gua e para isso so necessrios secadores.

Para entendermos os princpios da secagem do ar vamos usar o fato que o ar

equivalente a uma esponja. Se a esponja estiver saturada de gua, no poder absorver

mais gua. Da mesma forma se a umidade do ar atingir o seu valor mximo, o mesmo

no poder absorver mais vapor d'gua. Comprimindo uma esponja no-saturada,diminumos sua quantidade de gua, o que equivalente a aumentar a presso do ar e

ocorrer condensao do vapor d'gua. Ao resfriar a esponja, seus poros diminuem de

volume, eliminando gua, o que equivalente a aumentar a temperatura do ar e ocorrer

condensao.

Essa analogia nos sugere mtodos para retirar o vapor d'gua do ar. Existem quatro

mtodos de secagem:

Resfriamento Adsoro


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Absoro

Sobrepresso

5.4.1 Resfriamento

Consiste em se resfriar o ar o que reduz o seu ponto de orvalho. O ar resfriado

circulando-o por um trocador de calor (serpentina com fluido refrigerante) como

mostrado na figura 5.4.1.1.

Figura 5.4.1.1 - Processo de resfriamento para a secagem do ar.

O ponto de orvalho (umidade) alcanado com esse mtodo situa-se entre 2C e

5C. Note que na figura 5.2.1 que logo aps o compressor o ar comprimido resfriado.

Dessa forma, a regio aps o resfriador uma regio onde h grande ocorrncia de

condensao na linha pneumtica.

5.4.2 Adsoro

Opera atravs de substncias secadoras que por vias fsicas (efeito capilar)

adsorvem (adsorver - admitir uma substncia superfcie da outra) o vapor d'gua do ar,

as quais podem ser regeneradas atravs de ar quente. Assim os sistemas de adsoro

possuem um sistema de circulao de ar quente em paralelo para realizar a limpeza do

elemento secador como mostrado na figura 5.4.2.1. Devem ser usados dois secadores

em paralelo, pois enquanto um est sendo limpo o outro pode ser usado.


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Figura 5.4.2.1 - Secagem por adsoro.

O ponto de orvalho alcanvel com esse mtodo est em torno de -20C, em

casos especiais -90C. Em geral, o elemento secador um material granulado com

arestas ou formato esfrico. A substncia usada o Dixido de Slicio, mais conhecido

como "Slica gel". Trata-se do sistema mais caro em relao aos demais, mas o que

capaz de retirar a maior quantidade de umidade.

5.4.3 Absoro

um processo qumico. O ar comprimido passa por uma camada solta de umelemento secador como mostra a figura 5.4.3.1. A gua ou vapor d'gua que entra em

contato com este elemento combina-se quimicamente com ele e se dilui formando uma

combinao elemento secador e gua. Este composto pode ser removido periodicamente

do absorvedor. Com o tempo o elemento secador consumido e o secador deve ser

reabastecido periodicamente (2 4 vezes por ano).


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Figura 5.4.3.1 - Secagem por absoro.

O secador por absoro separa ao mesmo tempo vapor e partculas de leo.

Porm, grandes quantidades de leo atrapalham o funcionamento do secador. Devido a

isto usual antepor um filtro fino ao secador. O ponto de orvalho alcanvel com esse

mtodo 10C. o mtodo mais barato entre os demais porm o que retira menor

quantidade de gua.

5.4.4 Sobrepresso

Aumentando-se a presso h condensao, como j comentado, e pode-se drenar

gua.

5.5 Distribuio de Ar Comprimido

As tubulaes pneumticas exigem manuteno regular, razo pela qual no devem,

dentro do possvel, serem mantidas dentro de paredes ou cavidades estreitas, pois isto

dificulta a deteco de fugas de ar. Pequenos vazamentos so causas de considerveis

perdas de presso. Existem trs tipos de redes de distribuio de presso principais:

Rede em circuito aberto

Rede em circuito fechado

Rede combinada


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Essas linha principais so feitas de tubos de Cobre, lato, ao liga, etc Conectadas

s linhas principais esto as linhas secundrias, em geral, mangueiras de borracha ou

material sinttico.

A rede em circuito aberto mostrada na figura 5.5.1 a mais simples e deve ser

montada com um declive de 1% a 2% na direo do fluxo para garantir a eliminao da

gua que condensa no interior da linha. Isso ocorre porque o ar fica parado no interior

da linha quando no h consumo.

Figura 5.5.1 - Rede em circuito aberto.

J a rede em circuito fechado mostrada na figura 5.5.2 permite que o ar flua nas

duas direes e que fique circulando na linha reduzindo o problema de condensao.

Figura 5.5.2 - Rede em circuito fechado.

As redes combinadas como mostrado na figura 5.5.3, tambm so instalaes em

circuito fechado. No entanto, mediante as vlvulas de fechamento existe a possibilidade

de bloquear determinadas linhas de ar comprimido quando a mesmas no forem usadas

ou quando for necessrio coloc-las fora de servio por razes de manuteno. H uma

estanqueidade da rede portanto.


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Figura 5.5.5 - Acoplamentos tipo engate rpido e macho.

A figura 5.5.6 ilustra os tipos de conexes disponveis para mangueiras deborracha e plsticas.

Figura 5.5.6 - Conexes para mangueiras de borracha e plsticas.

5.6 Tratamento do ar Comprimido

Antes de entrtar em cada mquina pneumtica o ar passa por uma unidade de

tratamento como mostrado na figura 5.6.1 composta por um filtro, uma vlvula

reguladora de presso e um lubrificador. Essa unidade tem por objetivo ajustar as

caratersticas do ar de forma especfica para cada mquina.


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Figura 5.6.1 - Unidade de tratamento e seus smbolos.

Vejamos cada um de seus componentes.

5.6.1 Filtro

O filtro serve para eliminar partculas slidas e lquidas (impurezas, gua, etc..).

A filtrao ocorre em duas fases. Uma pr-eliminao feita por rotao do ar gerando

uma fora centrfuga como mostrado na figura 5.6.1.1. A eliminao fina feita pelo

elemento filtrante. O filtro apresenta um dreno (manual ou automtico) para a

eliminao de gua. A porosidade do elemento filtrante da ordem de 30 a 70 m.

Figura 5.6.1.1 - Filtro e seus smbolos.


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5.6.2 Vlvula Reguladora de Presso

Essa vlvula tem a funo de manter constante a presso no equipamento. Ela

somente funciona quando a presso a ser regulada (presso secundria) for inferior que

a presso de alimentao da rede (presso primria). Assim essa vlvula pode reduzir a

presso, mas jamais aument-la. A figura 5.6.2.1 descreve uma vlvula de segurana

juntamente com o seu smbolo.

Figura 5.6.2.1 - Vlvula de segurana.

O seu funcionamento ocorre da seguinte forma. Se a presso secundria diminue

em relao a um valor especificado a mola 2 (ver figura 5.6.2.1) empurra o mbolo 6

que abre a comunicao com a presso primria. Se a presso secundria aumenta, em

relao a um valor especificado (por exemplo, devido um excesso de carga no

atuador) ento a membrana 1 atuada pressionando a mola 2 e o mbolo 6 fecha a

comunicao at que a presso secundria diminua. Se a presso secundria aumentar

demais, ento alm de ocorrer a situao anterior, a membrana 1 se separa do mbolo 6,

abrindo a comunicao com os furos de exausto, ocorrendo o escape de ar, o que reduz

a presso secundria. O parafuso 3 permite regular a rigidez da mola 2 e portanto a

presso secundria. Logicamente essa vlvula gera uma oscilao de presso na sua


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sada (presso secundria), no entanto tanto menor ser essa oscilao quanto melhor

forem dimensionados os componentes da vlvula.

5.6.3 Lubrificador

O lubrificador tem a funo de lubrificar os aparelhos pneumticos de trabalho e

de comando. A alimentao do leo feita pelo princpio de Venturi que ilustrado na

figura 5.6.2.2.

Figura 5.6.2.2 - Princpio de Venturi.

Essencialmente quando o fluxo de ar passa por uma seo de menor rea, a sua

velocidade aumenta e a sua presso diminui, e portanto o leo contido no tubo

pulverizado no ar. A figura 5.6.2.3 ilustra um lubrificador e seu smbolo. O nvel do

leo deve ser verificado periodicamente e a sua dosagem controlada.

Figura 5.6.2.3 - Lubrificador.


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Figura 6.1.3.1 - Cilindro de membrana.

utilizado em aplicaes como prensas, mas principalmente no acionamento de

servovlvulas hidrulicas.

6.1.4 Cilindro de Dupla Ao com Haste Passante

A figura 6.1.4.1 descreve esse tipo de atuador. Consiste num cilindro de dupla aocom haste em ambos os lados. Entre as suas caractersticas temos:

Possibilidade de realizar trabalho nos dois sentidos;

Absorve pequenas cargas laterais;

Fora igual nos dois sentidos.


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Figura 6.1.4.1 - Cilindro de dupla ao com haste passante.

6.1.5 Cilindro Sem Haste

Estes cilindros so aplicados onde so necessrios cursos muito grandes e

surgem problemas de flambagem na haste de um cilindro comum. Apresentam a mesma

rea em ambos os lados e por isso mesma fora de avano e retorno. So aplicados em

acionamento de portas, alimentador de peas, etc... Existem trs tipos descritos a seguir.

1. Com tubo fendido

A figura 6.1.5.1 descreve esse tipo de cilindro. Essa montagem permite absorver

elevados momentos e foras transversais, no entanto a vedao consiste num ponto

crtico. utilizado em particular em catapultas de porta avies, onde acionado por

vapor superaquecido.

Figura 6.1.5.1 - Cilindro sem haste com tubo fendido.


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2. Com im

A figura 6.1.5.2 descreve esse tipo de cilindro. No tem problemas de vedao

como o anterior, mas a transmisso da fora limitada pelo im. utilizado em robs

cartesianos.

Figura 6.1.5.2 - Cilindro sem haste com im.

3. Com cabo ou fita

A figura 6.1.5.3 descreve esse tipo de cilindro. No h problema de flambagem,pois as fitas esto sobre trao. Muito usado no acionamento de portas.

Figura 6.1.5.3 - Cilindro sem haste com cabo ou fita.

6.1.6 Cilindro de Mltiplas Posies

A figura 6.1.6.1 descreve esse tipo de atuador juntamente com o seu smbolo e

exemplo de aplicao. Consiste em dois ou mais cilindros montados em conjunto para

alcanar vrias posies. Com n cilindros de cursos desiguais, pode-se obter 2

n

posiesdistintas.


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Figura 6.1.6.1 - Cilindro de mltiplas posies.

aplicado em mudana de desvios (ver figura 6.1.6.1), acionamento de

vlvulas, etc..

6.1.7 Cilindro Tandem

A figura 6.1.7.1 descreve esse tipo de atuador juntamente com o seu smbolo e

caracterstica construtiva. Consiste em dois cilindros acoplados mecanicamente em

srie. aplicado principalmente em pregadores penumticos. Entre as suas

caractersticas temos:

Grande fora com pequeno dimetro;

Grande dimenso de comprimento;

Somente para pequenos cursos.

Figura 6.1.7.1 - Cilindro tandem.


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6.1.8 Cilindro de Percusso

A figura 6.1.8.1 descreve esse tipo de cilindro juntamente com o seu smbolo e

caracterstica construtiva. usado para gerar um alta fora de impacto e alta velocidade

(7,5 a 10 m/s). Funciona da seguinte forma:

Inicialmente aplicado presso nas cmaras A e B (ver figura 6.1.8.1), e o valor dapresso aumentado em ambos os lados;

Num certo instante, a cmara A exaurida (presso atmosfrica) e o pisto

empurrado pela presso da cmara B;

Ao se movimentar um pouco a rea em que a presso da cmara B atua tem seu

dimetro aumentado bruscamente como mostrado na figura, o que faz com que o

pisto seja acelerado violentamente;

A energia cintica do pisto convertida em fora de impacto.

Figura 6.1.8.1 - Cilindro de percusso.

Apresenta um pequeno curso. aplicado em prensas pneumticas para

forjamento, britadeiras, rebitadeiras, etc..

6.1.9 Cilindro Telescpico

A figura 6.1.9.1 descreve esse tipo de atuador. composto de vrios cilindros

montando em srie um dentro do outro. Apresenta curso longo e dimenses reduzidas


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de comprimento, porm um dimetro grande face fora gerada. aplicado em

mquinas que precisam de um longo curso e comprimento reduzido.

Figura 6.1.9.1 - Cilindro telescpico.

6.2 Atuadores Rotativos

Transformam o movimento linear do cilindro de dupla ao num movimento

rotativo com ngulo limitado de rotao. A figura 6.2.1 descreve esse tipo de cilindro

juntamente com o seu smbolo e a sua caracterstica construtiva. Nesse caso a converso

do movimento feita utilizando-se um sistema pinho-cremalheira. A rotao tem

ngulo limitado podendo ser regulada de 45 at 720.

Figura 6.2.1 - Cilindro rotativo.

A figura 6.2.2 ilustra um outro tipo de cilindro chamado cilindro de aleta

giratria. Seu ngulo limitado em 300 e apresentam problemas de vedao. So

aplicados para girar peas, curvar tubos, acionar vlvulas, etc.


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Figura 6.2.2 - Cilindro de aleta giratria.

6.3 Unidades Hidropneumticas

A compressibilidade do ar no permite um posicionamento preciso dos cilindros

pneumticos bem como manter uma velocidade constante na presena de cargas

variveis. No entanto, em muitos casos no conveniente usar um sistema hidrulico,

pois apenas a alimentao pneumtica est disponvel na empresa. Nesse caso utilizam-

se as unidades hidropneumticas como mostrado na figura 6.3.1. O acionamento

pneumtico, no entanto h um cilindro hidrulico que se desloca juntamente em

paralelo, fornecendo a rigidez necessria ao movimento e aumentando a estabilidade da

velocidade e posio do circuito pneumtico. O circuito hidrulico pode ser ajustado

atravs de um estrangulamento varivel.

Figura 6.3.1 - Unidade hidropneumtica.


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6.4 Execuo Prtica de um Cilindro Pneumtico

A figura 6.4.1 mostra a execuo construtiva de um cilndro de dupla ao.

Figura 6.4.1 - Execuo construtiva de um cilindro de dupla ao.

1- Camisa: feita de um tubo de ao trefilado a frio sem costura;

2 e 3 - Tampas de alumnio fundido;

4 - haste do mbolo: feita de ao e pode ter proteo anti-corrosiva. As roscas so

laminadas reduzindo o risco de ruptura;

5 - anel circular: reponsvel pela vedao da haste;

6 - bucha de guia: guia a haste;

7 - anel limpador: evita a entrada de impurezas;

8 - guarnio duplo lbio: veda ambos os lados do pisto;

9 - juntas tricas ou "O-ring": atua como vedao.

A figura 6.4.2 descreve os diversos tipos de vedao usados no mbolo alm da

guarnio duplo lbio mostrada acima.


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6.5 Amortecimento de Fim de Curso

Na figura 6.5.1 est representado tambm um sistema de amortecimento que

evita o impacto entre o mbolo e a tampa. Esse sistema est melhor ilustrado na figura

6.5.2 abaixo.

Figura 6.5.2 - Sistema de amortecimento do cilindro.

Essencialmente, ao chegar prximo do final do curso a haste (1) obstrui o canal

principal de sada do ar que obrigado a passar pelo estrangulamento (2) amortecendo

assim o movimento do mbolo. No sentido oposto, o ar passa pela vlvula de reteno

(3) exercendo presso sobre toda a rea do mbolo e movendo-o.

6.6 Dimensionamento e Caractersticas de um Cilindro Pneumtico

A seguir so resolvidos alguns exerccios ilustrando o dimensionamento de um

cilindro pneumtico.


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1 bar e 20C: 78,404bar1*)30273(

)20273(*8,59*7barV1bar =

+

+= l/min

Exerccio 6.6.1.2

Considere o cilindro de dupla ao mostrado na figura 6.6.1.2 e dado as

informaes abaixo.

Figura 6.6.1.2 - Cilindro de dupla ao.

Dimetro do mbolo d1 63 mm

Dimetro da haste d2 20 mm

Presso de trabalho pe 6 bar (relativa)

Curso h 500 mm

Esse cilindro deve elevar verticalmente uma massa de 48 Kg por um curso de

1m, imprimindo uma acelerao de 10m/s2. Qual o dimetro de mbolo necessrio, com

uma presso relativa mxima de trabalho de 5 bar (50 N/cm2) supondo um rendimento

de 0,9?

Soluo:

Fora total no mbolo: FV = FG + FA

Fora da gravidade: FG = m*g = (48 Kg)*(0,81 m/s2) = 470 N

Fora de acelerao: FA = m*a = (48 Kg)*(10m/s2) = 480 N

Fora terica sem atrito: FV1 = 950 N


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A fora efetiva vale: FV= N10559,0

950F 1V ==

A rea e dimetro do mbolo valem: A = 2V cm1,2150

1055

P

F==

e d = mm52cm2,54

==

A, mas o dimetro mais prximo no catlogo 63mm.

6.6.2 Flambagem nos cilindros

Outro ponto importante a se considerar no dimensionamento dos cilindros a

questo da flambagem da haste que crtica para grandes cursos. A fora crtica de

flambagem (Fcrit) dada pela equao:

64d

JondeCSEJ

F4

K

2

crit

== (6.6.2.1)

onde E o mdulo de elasticidade, J o momento de inrcia da haste, d o dimetro da

haste, C um coeficiente de segurana (2,5 a 5). Sk o comprimento total livre definido

na figura 6.6.2.1 para diferentes montagens do pisto, e L o comprimento real

submetido a flambagem. Os fabricantes fornecem grficos da carga crtica (em termos

de presso) em funo do curso, e dimetro do cilindro.


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Figura 6.6.2.1 - Condies de flambagem no cilindro.


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7. Outros Dispositivos Pneumticos

7.1 Mesa Pneumtica

A figura 7.1.1 ilustra uma mesa pneumtica ou almofada de ar.

Essencialmente, consiste numa chapa de metal com dutos no seu interior que

direcionam o fluxo de ar para a regio de contato entre a chapa e o solo. Muito til para

reduzir o atrito no transporte de altas cargas sendo tambm muito utilizada em mquinas

de preciso (mesas de medio).

Figura 7.1.1 - Mesa pneumtica.

7.2 Pina Pneumtica

A figura 7.2.1 ilustra um dispositivo que atua como uma pina em mquinas

ferramentas para prender a ferramenta de usinagem. Trata-se essencialmente de um

pisto de simples ao. Permite a fixao rpida e com grandes foras da ferramenta.

Figura 7.2.1 - Pina pneumtica.


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8. Motores Pneumticos

So responsveis por transformar energia pneumtica em trabalho mecnico

realizando a operao inversa dos compressores. A figura 8.1 ilustra a classificao dos

motores pneumticos.

Figura 8.1 - Classificao dos motores pneumticos.

Entre as caractersticas dos motores pneumticos temos: Inverso simples e direta do sentido de rotao;

Regulagem progressiva de rotao e torque.

Alta relao peso/potncia;

Possibilidade de operao com outros fluidos.

O grfico da figura 8.2 indica a curva de torque (M) e potncia (P) em funo da

rotao (n) de um motor pneumtico.


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Figura 8.2 - Curva de torque e potncia em funo da rotao dos motores pneumticos.

onde nN a rotao nominal, n0 a rotao em vazio, MN o torque nominal,MA o torque

de arranque, MW o torque de parada por sobrecarga e PN a potncia nominal. Dado queo torque varia linearmente com a rotao, ou seja:

=0

w n

n

1MM (8.1.1)

a potncia ser quadrtica com a rotao, ou seja:

==

0

2

w n

nnMMnP (8.1.2)

e portanto existe uma rotao que nos d a potncia mxima, que a rotao nominal.

Entre os critrios para a escolha de um motor pneumtico temos:

Torque necessrio sob carga e no arranque;

Rotao com carga correspondente;

Desvio admissvel da rotao com variao de carga;

Consumo de ar e rendimento.

A construo mecnica desses motores similar a dos compressores pneumticos j

descrita. A seguir so descritos brevemente cada tipo de motor.


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8.1 Motores Rotativos

8.1.1 Motor de Palhetas

A figura 8.1.1.1 ilustra um motor de palhetas. Seu funcionamento exatamente

o oposto do compressor de palhetas. A expanso do ar nas cmaras entre as palhetas

tambm aproveitada na realizao de trabalho mecnico. A rotao facilmente

invertida dependendo da entrada do ar. A faixa de rotao de um motor de palheta varia

de 200 rpm at 10000 rpm e a de potncia varia de 50W at 20 kW. muito usado em

parafusadeiras pneumticas.

Figura 8.1.1.1 - Motor de palhetas.

8.1.2 Motor de Engrenagens e Motor Roots

A gerao do torque ocorre pela presso do ar exercida nos flancos dos dentes deduas engrenagens engrenadas. Uma engrenagem est fixa ao eixo e a outra livre. Podem

ser fabricados com dentes retos, helicoidais ou em "V". Nos motores de dentes retos

no h aproveitamento da expanso de volume de ar. A faixa de rotao varia de 1000

r.p.m. 3000 r.p.m. e a faixa de potncia vai at 70 kW. O motor roots apresenta o

mesmo princpio sendo de igual construo ao compressor roots.


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8.2 Motores de Pistes

Entre as caractersticas desse motor temos:

Elevado torque de arranque e na faixa de rotao;

Baixa rotao (at 5000 r.p.m.);

Faixa de potncia varia de 2W at 20 kW;

Comando de fornecimento de ar por distribuidor rotativo.

A figura 8.2.1 ilustra um motor de pistes radiais em execuo estrela onde a

transformao do movimento linear do pisto ocorre por um mecanismo biela-manivela

(como no motor de automvel). So utilizados em equipamentos de elevao.

Figura 8.2.1 - Motor de pistes radiais.

A figura 8.2.2 ilustra um motor de pistes axiais onde a transformao ocorre

por disco oscilante como ilustrado na figura 8.2.3. Esse motor apresenta uniformidade

no movimento de rotao com um funcionamento silencioso e sem vibraes, sendo

utilizado em equipamentos de elevao.


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Figura 8.2.2 - Motor de pistes axiais.

Figura 8.2.3 - Esquema de funcionamento do motor de pistes axiais.

8.3 Motores de Turbina

Opera de forma contrria ao turbo-compressor, ou seja, a energia cintica do ar

convertida em movimento rotativo. Apresentam pssimo rendimento devido s altas

perdas de ar, sendo econmico apenas para baixas potncias, no entanto so capazes de

atingir rotaes elevadssimas com baixo torque que variam de 80.000 r.p.m. at400.000 r.pm. Para baixas rotaes e altos torques no vantajoso a sua utilizao pois

necessita de ser acoplado a um redutor.

Uma aplicao clssica a "broca do dentista" que chega atingir 500.000 r.p.m..

Tambm usado em fresadoras e retificadoras de alta rotao.


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9. Vlvulas Pneumticas

As vlvulas comandam e influenciam o fluxo de ar comprimido. Existem quatro

tipos de vlvulas:

Vlvulas Direcionais: comandam a partida, parada e sentido de movimento do

atuador;

Vlvulas de Bloqueio: bloqueiam o fluxo de ar preferencialmente num sentido e oliberam no sentido oposto;

Vlvulas de Fluxo: influenciam a vazo de ar comprimido;

Vlvulas de Pressao: influenciam a presso do ar comprimido ou so comandadas

pela presso.

A figura 9.1 ilustra um esquema envolvendo um cilindro, uma vlvula de fluxo e

uma vlvula direcional.

Figura 9.1 - Esquema de um cilindro com vlvulas.

As vlvulas so representadas por smbolos grficos. A figura 9.2 ilustra como o

smbolo usado para representar a comutao de uma vlvula direcional. O smbolo

formado por dois quadrados, cada um representando uma posio da vlvula. Assim

na posio de retorno a cmara do pisto est ligada na atmosfera enquanto que naposio de avano a rede est alimentando o pisto.


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Figura 9.2 - Simbologia de comutao da vlvula.

Essa vlvula possui duas posies de comutao e 3 conexes, sendo por isso,

chamada vlvula 3/2 vias. Assim a nomenclatura das vlvulas obedece seguinte regra:

uma vlvula m/n vias significa que uma vlvula que possui m conexes e n posies e

comutao. A tabela 9.1 ilustra diversos tipos de vlvulas direcionais.

Tabela 9.1 - Tipos de vlvulas direcionais.


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Requerem elevadas foras de acionamento devido ao dimetro do seu

mbolo;

Comutam rapidamente com curso reduzido;

Insensveis impureza;

Comutam de modo brusco (devido variao brusca de rea do

mbolo).

9.1.3.2 Vlvulas de mbolo deslizante

A execuo em mbolo ilustrada na figura 9.1.3.2.

Figura 9.1.3.2 - Execuo em mbolo.

Entre as caractersticas da execuo em mbolo temos: Construo simples e pequeno volume construtivo;

Estanqueidade condicional (depende da presso);

Requer pequena fora de acionamento devido ao dimetro do seu

mbolo;

Curso de comutao longo;

Sensveis impureza;


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9.1.4 Exausto Cruzada

Ocorre quando h comunicao simultnea entre todas as conexes durante a

comutao por apenas alguns segundos. Isto provoca escape de ar que no usado no

trabalho. A figura 9.1.4.1 ilustra uma vlvula 3/2 vias com execuo de assento que

apresenta exausto cruzada.

Figura 9.1.4.1 - Vlvula 3/2 vias com exausto cruzada. A parte escura representa ar.

A forma de evitar isso alterandoo mecanismo da vlvula. A figura 9.1.4.2

ilustra uma vlvula 3/2 vias que no apresenta exausto cruzada.

Figura 9.1.4.2 - Vlvula 3/2 vias sem exausto cruzada. A parte escura representa ar.

9.1.5 Tipos de Vlvulas Direcionais

As vlvulas pneumticas podem ser pr-operadas pneumaticamente. Nesse caso,

o impulso de comando no efetuado sobre a vlvula principal, mas sobre uma vlvulade pilotagem adicional, que por sua vez aciona a vlvula principal atravs da presso do


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ar. Com isso se reduz a fora de acionamento necessria. usada em vlvulas de

assento que requerem elevadas foras de acionamento ou em vlvulas de comando

eletromagntico, para poder utilizar pilotos eltricos de pequenas dimenses. Os tempos

de comutao so mais longos e necessitam uma fonte de presso. A figura 9.1.5.1

ilustra esse tipo de vlvula na execuo de assento e sua representao no circuito

pneumtico.

Figura 9.1.5.1 - Vlvula 3/2 vias com acionamento pneumtico e exemplo de circuito. A parte escura

representa ar.

A figura 9.1.5.2 ilustra um outro tipo de vlvula acioanada pneumaticamente

chamada bi-estvel que trabalha segundo o princpio de assento flutuante. Esta

vlvula comutada alternadamente por impulsos, mantendo a posio de comando at

receber um novo impulso (bi-estvel). O pisto de comando se desloca no sistema de

corredia.


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Figura 9.1.5.2 - Vlvula 5/2 vias bi-estvel e exemplo de circuito. A parte escura representa ar.

Esse tipo de vlvula muito utilizado em pneumtica. A figura 9.1.5.2 tambm

ilustra o uso dessa vlvula no circuito pneumtico.

A figura 9.1.5.3 ilustra uma vlvula direcional 3/2 vias servo-comandada.

Consiste num sistema mecnico que aciona um sistema pneumtico que aciona a

vlvula principal. A fora para acionamento do sistema mecnico est em torno de 1,8

N.


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Figura 9.1.5.3 - Vlvula 3/2 vias servo-comandada.

Acionando-se a alavanca do rolete abre-se a vlvula de servo-comando. O ar

comprimido flui para a membrana e movimenta o prato da vlvula principal para baixo.

A comutao da vlvula se efetua em duas etapas. Primeiro, fecha-se a passagem de A

para R, depois abre-se a passagem de P para A. O retorno efetua-se ao soltar a alavanca

do rolete. Isto provoca o fechamento da passagem do ar para a membrana e posterior

exausto. A figura 9.1.5.4 ilustra uma vlvula 3/2 vias servo-comandada acionada por

boto.

Figura 9.1.5.4- Vlvula 3/2 vias servo-comandada acionada por boto.

A figura 9.1.5.5 ilustra uma vlvula 5/2 vias de mbolo deslizante acionadapneumaticamente.


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Figura 9.1.5.5 Vlvula 5/2 vias de mbolo acionada pneumaticamente.

A figura 9.1.5.6 ilustra duas vlvulas 3/2 vias acionadas por solenide

(acionamento eletromagntico) que so usadas em eletropneumtica.

Figura 9.1.5.6 - Vlvulas 3/2 vias acionadas por solenide.

9.1.6 Especificao das Vlvulas Direcionais

A vlvulas so especificadas mediante o valor nominal de vazo de ar (QN). O

valor de QN um valor de aferio para presso de 6 bar, relacionado com uma queda

de presso de 1 bar na vlvula e uma temperatura de 20C e est especificado no

catlogo do fabricante. A vazo da vlvula nas condies de operao deve ser


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calculada usando-se grficos fornecidos pelos fabricantes. Alm da vazo nominal

deve-se especificar o tamanho das conexes.

9.2 Vlvulas de Bloqueio

9.2.1 Vlvula de Reteno

Essas vlvulas permitem o fluxo livre num sentido e bloqueiam completamente

o fluxo no sentido oposto. So construdas na execuo de assento com mola comomostrado na figura 9.2.1.1. So muito usadas em conjunto com uma vlvula de fluxo

para ajustar a velocidade dos atuadores pneumticos (ver adiante).

Figura 9.2.1.1 - Vlvula de reteno.

9.2.2 Vlvula Alternadora (OU)

A figura 9.2.2.1 ilustra esse tipo de vlvula (e seu smbolo) que equivalente ao

elemento lgico "OU" da eletrnica digital. Ela somente fornece sinal de sada quando

pelo menso tiver um sinal de presso numa conexo de entrada. usada quando se

deseja acionar o atuador pneumtico por dois tipos de vlvulas como mostrado na figura9.2.2.1.

Figura 9.2.2.1 - Vlvula alternadora e exemplo de circuito.


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9.2.3 Vlvula de Duas Presses (E)

A figura 9.2.3.1 ilustra esse tipo de vlvula (e seu smbolo) que equivalente ao

elemento lgico "E" da eletrnica digital. Somente fornece sada em A quando

existirem dois sinais de entrada Px e Py simultneos e de mesmo valor. Existindo

diferena de tempo nos sinais de entrada Px e Py, o sinal atrasado vai para sada. Quando

h diferena de presso dos sinais de entrada, a presso maior fecha um lado da vlvula

e a presso menor vai para a sada A. muito usada em comandos de segurana quando

se deseja que o atuador seja acionado somente quando duas vlvulas so pressionadas

simultaneamente como mostrado no circuito da figura 9.2.3.1.

Figura 9.2.3.1 - Vlvula de duas presses.

9.2.4 Vlvula de Escape Rpido

A figura 9.2.4.1 ilustra esse tipo de vlvula e seu smbolo. Atravs dessa vlvula

possvel exaurir grandes volumes de ar comprimido aumentando a velocidade dos

cilindros. Quando h presso em P o elemento de vedao adere ao assento do escape e


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o ar atinge a sada para o atuador. Quando a presso em P deixa de existir, o ar que

agora retorna pela conexo A, movimenta o elemento de vedao contra a conexo P e

provoca o seu bloqueio (ver figura 9.2.4.1). Dessa forma o ar pode escapar por R

rapidamente para a atmosfera, evitando que o ar passe por uma canalizao longa e de

dimetro pequeno que reduze o seu fluxo. Essa vlvula colocada diretamente na sada

do cilindro como mostrado na figura 9.2.4.1.

Figura 9.2.4.1 - Vlvula de escape rpido.

9.3 Vlvulas de Fluxo

Essas vlvulas reduzem a seo de passagem para modificar a vazo do ar

comprimido e assim controlar a velocidade dos atuadores. Para uma dada seo de

passagem a vazo depende somente da diferena de presso entre as duas extremidades

da seo. A figura 9.3.1 ilustra os diferentes tipos de seo de passagem e seus

smbolos.


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Figura 9.3.1 - Sees de passagem.

9.3.1 Vlvula Reguladora Unidirecional

Trata-se da combinao em paralelo de uma vlvula estranguladora varivel e

uma vlvula de reteno. usada quando se deseja regular o fluxo num nico sentido.

A figura 9.3.1.1 ilustra essa vlvula, seu smbolo e sua montagem no circuito

pneumtico.

Figura 9.3.1.1 - Vlvula reguladora de fluxo unidirecional.

A figura 9.3.1.2 ilustra um detalhe de montagem dessa vlvula no circuito do

atuador. Na montagem do circuito da esquerda somente um lado do pisto est

submetido presso do ar, assim se ocorrer uma aplicao de carga brusca na haste do

pisto (trao ou compresso) o mesmo ir se mover (a vlvula de reteno permite o

fluxo fcil de ar), ou seja, esse tipo de circuito no d rigidez ao movimento da haste. J

no circuito da direita ambos os lados do pisto estaro sob presso, pois o

estrangulamento impe uma perda de carga para a sada de ar do pisto. Assim esse


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circuito d mais rigidez ao movimento do pisto que no fica sujeito oscilaes devido

a variaes da carga.

Figura 9.3.1.2 - Diferentes montagens da vlvula reguladora no circuito pneumtico .

9.3.2 Vlvulas de Fechamento

So essencialmente "torneiras" pneumticas que bloqueiam manualmente o

fluxo de ar. A figura 9.3.2.1 ilustra esse tipo de vlvula cuja construo similar a

torneira hidrulica domstica.

Figura 9.3.2.1 - Vlvula de fechamento.


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9.4 Vlvulas de Presso

9.4.1 Vlvula Regulador de Presso

Essa vlvula usada para limitar a presso que alimenta um equipamento

pneumtico j tendo sido explicada no tem 5.6.2.

9.4.2 Vlvula Limitadora de Presso

So utilizadas como vlvulas de segurana ou alvio contra sobrepresses. A

figura 9.4.2.1 ilustra esse tipo de vlvula. No momento em que um valor de presso pr-

estabelecido superado, abre-se uma passagem no interior da vlvula contra a presso

de uma mola e o ar comprimido exaurido para atmosfera.

Figura 9.4.2.1 - Vlvula limitadora de presso.

9.4.3 Conversores pneumtico-eltrico ou pressostatos

Serve para transformar um sinal de entrada pneumtico num sinal de sada

eltrico. Em geral a presso age sobre um mbolo (ou membrana) que se desloca

efetuando o contato. A regulagem da presso em que o contato ocorre feita regulando-

se a distncia entre que o mbolo deve mover para realizar o contato. A figura 9.4.3.1ilustra um pressostato de calibragem fixa e um varivel.


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Figura 9.4.3.1 - Pressostatos de calibragem fixa e varivel.

9.5 Regulagem dos compressores

Para combinar o volume de fornecimento com o consumo de ar necessria uma

regulagem dos compressores. Em geral os sistemas de regulagem envolvem o uso devlvulas pneumticas como mostrado adiante. Dois valores limites pr-estabelecidos de

presso mxima/mnima influenciam o volume de ar fornecido. Existem trs tipos de

regulagem descritos a seguir.

9.5.1 Regulagem de marcha vazio

Regulagem por descarga

Quando alcanada a presso regulada, o ar escapa livre da sada do compressor

atravs de uma vlvula limitadora de presso como mostrado na figura 9.5.1.1. Uma

vlvula de reteno evita que o reservatrio se esvazie ou retorne para o compressor.


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Figura 9.5.1.1 - Regulagem por descarga.

Regulagem por fechamento

Nesta regulagem se fecha o lado da suco como mostrado na figura 9.5.1.2. O

compressor no pode mais aspirar e funciona em vazio. Esta regulagem encontrada em

compressores rotativos e de mbolo.

Figura 9.5.1.2 - Regulagem por fechamento.

Regulagem por garras

empregada em compressores de mbolo. Mediante garras, mantm-se aberta a

vlvula de suco, evitando que o compressor continue comprimindo como mostrado na

figura 9.5.1.3.


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Figura 9.5.1.3 - Regulagem por garras.

9.5.2 Regulagem de carga parcial

Regulagem na rotao

Ajusta-se o regulador de rotao do motor que aciona o compressor. A

regulagem pode ser manual ou automtica dependendo da presso de trabalho.

Regulagem por estrangulamento

encontrado em compressores rotativos e em turbo-compressores. A regulagem

feita estrangulando-se o funil de suco do compressor.

9.5.3 Regulagem intermitente

Ao alcanar a presso mxima, o motor que aciona o compressor desligado, e

quando a presso atinge um valor mnimo, o motor liga novamente e o compressor volta

a trabalhar. A ao de ligar e desligar comandada por um interruptor pneumtico

chamado pressostato, como mostrado na figura 9.5.3.1.


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Figura 9.5.3.1 - Regulagem intermitente.

.A freqncia de comutaes pode ser regulada no pressostato e para que os

perodos de comando possam ser limitados a uma medida aceitvel, necessrio um

grande reservatrio de ar comprimido.


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10. Temporizadores Pneumticos

Servem para criar um retardo no envio ou na recepo de um sinal de comando.

A figura 10.1 ilustra um temporizador que retarda a emisso do sinal e sua simbologia.

A aplicao do sinal em X, provoca aps um tempo de retardo, o aparecimento de um

sinal de sada em A. A temporizao obtida atravs de um progressivo aumento da

presso no pequeno reservatrio provocado pela entrada do sinal X que por sua vezpassa atravs de um estrangulamento regulvel. Aps um tempo t a presso suficiente

paa comandar o mbolo da vlvula 3/2 vias. Interligando as conexes P com A. Ao

cessar o sinal em X, o ar do reservatrio sai pela membrana de reteno do

estrangulmento. O grfico da figura 10.1 tambm ilustra os sinais em X e A em funo

do tempo.

Figura 10.1 - Vlvula temporizadora que retarda a emisso do sinal.

A figura 10.2 ilustra uma vlvula temporizadora que retarda a interrupo do

sinal e sua simbologia. O princpio de funcionamento anlogo vlvula anterior. O

grfico da mesma figura ilustra os sinais em X e A em funo do tempo.


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Figura 10.2 - Vlvula temporizadora que retarda a interrupo do sinal.


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11. Amplificadores Pneumticos

Os sinais de presso gerados por alguns dispositivos pneumticos como os

sensores como ser visto adiante so muito pequenos, da ordem de at mbar. Assim os

amplificadores so usados para ampificar o sinal pneumtico.

11.1 Amplificador de Presso Monoestgio

So usados para presses de comando de 0,1 a 0,5 bar. A figura 11.1.1 ilustra

esse tipo de amplificador. Inicialmente P est bloqueado e A est em exausto.

Recebendo o sinal X, o diafragma atuado erguendo o pisto de comando e abrindo a

passagem de P para A. P est conectado presso normal de at 8 bar. O sinal de A

usado para o comando de elementos que

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[Apostila] Sistemas Fluidosmecânicos - USP