SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS ATUADORES PNEUMÁTICOS CONCEITO Atuadores pneumáticos são elementos mecânicos que por meio de movimentos lineares ou rotativos transformam a energia cinética gerada pelo ar pressurizado e em expansão, em energia mecânica, produzindo trabalho. ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES Conhecidos comumente como cilindros pneumáticos, são elementos constituídos por um tubo cilíndrico, tendo uma de suas extremidades fechada por uma tampa, a qual contém uma conexão que serve para admissão e exaustão do ar, e na outra extremidade, outra tampa com igual característica, porém dotada ainda de um furo central pelo qual se movimenta uma haste que, na extremidade interna ao cilindro, possui um êmbolo com vedação, que pela ação do ar expandindo-se no interior do tubo cilíndrico, possibilita o movimento de expansão expansão ou retração dessa dessa haste. haste. Os atuadores pneumáticos são regidos por normas internacionais, tais como: ISO 6431 E 6432 (internacional) (i nternacional) DIN ISO 6431 e VDMA 24562 (Alemanha) NF E 49003.1 49003.1 (França) UNI 20.290 (Itália) Estão classificados basicamente em duas famílias:
Atuadores pneumáticos lineares lineares de simples efeito; Atuadores pneumáticos lineares de duplo efeito.
ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES DE SIMPLES EFEITO São atuadores cujo movimento movimento de retração ou expansão expansão é feito pela ação de uma mola interna ao tu bo cilíndrico “camisa” (figura 1.1), podendo ainda ter retorno por força externa.
1 – Entrada e saída de ar
5 – camisa camisa
2 – vedação do êmbolo em neopreme
6 – Mola Mola
3 – êmbolo
7 – Tampa Tampa frontal
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS 4 – Elemento de fixação
8 – Haste Haste em aço especial
Figura 1.1 – atuador atuador pneumático linear de simples efeito com retorno por mola.
São normalmente aplicados em dispositivos de fixação, gavetas de moldes de injeção, expulsão, prensagem, elevação e alimentação de componentes Princípio Funcional Partindo de um comando de uma válvula controladora direcional que, ao ser acionada, permite que o ar comprimido provindo da linha de alimentação seja injetado através de uma mangueira, na conexão (1), elevando-se a pressão na câmara posterior até o ponto de superar a força exercida pela mola (6), provocando com isso o movimento de extensão da haste. Enquanto a válvula citada permanece acionada, a pressão do ar continuará atuando no interior do cilindro pneumático, mantendo assim a haste distendida. Somente com o desligamento da válvula é que o fluxo de ar para o interior do atuador será cessado, servindo agora a mesma conexão para a exaustão do ar, em função da força restauradora da mola. A mola para uso neste tipo de atuador é dimensionada para possibilitar um rápido retorno da haste, sem, contudo, permitir que a velocidade de retorno seja demasiadamente elevada a ponto de absorver grande energia cinética e dissipá-la com grande impacto do êmbolo no fundo da câmara, o que seria danoso ao atuador. Por questões funcionais, são desaconselhados para aplicações que requeiram curso superior a 100mm. Representaçãoo Simbólica Representaçã A figura 1.2 apresenta a representação simbólica normalizada, de acordo com as normas técnicas para este tipo de atuador.
Figura 1.2 – Representação Representação simbólica normalizada – (a) (a) atuador linear de simples efeito normalmente retraído por mola – (b) (b) atuador linear de simples efeito normalmente distendido com retorno por mola. m ola.
ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES DE DUPLO EFEITO São atuadores em que alimentação e exaustão ocorrem por conexões localizadas em ambas as extremidades do atuador (figura 1.3). São encontrados em diâmetros comerciais, cobrindo uma faixa de diâmetros que vai, normalmente de 32 a 200mm. COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS Alguns fabricantes, entretanto, produ zem também o que denominam “Série Mini”, que engloba diâmetros de 6 a 25mm.
1 – Tampa traseira
6 – câmara câmara frontal
2 – Conexão de alimentação/exa alimentação/exaustão ustão
7 – Camisa Camisa
3 – Câmara traseira
8 – Tampa Tampa frontal
4 – Vedação do êmbolo em neopreme
9 – Conexão alimentação/exaustão
5 – êmbolo
10 – haste haste Figura 1.3 – Atuador Atuador pneumático linear de duplo efeito
Abaixo mostramos duas tabelas normalizadas de cilindros pneumáticos de duplo efeito.
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Princípio Funcional Em estado normalmente não acionado, o atuador que é comandado por uma válvula controladora direcional é mantido recuado em função do ar que mantém preenchida sua câmara frontal (6). Ao ser comutada uma válvula controladora, será permitido que o ar comprimido provindo da linha de alimentação seja injetado através de uma mangueira, na conexão (2), elevando-se a pressão na câmara traseira até o ponto de superar as forças de atrito e a que estiver se opondo ao movimento da haste (10), provocando com isso sua extensão. Enquanto a válvula controladora permanecer acionada, a pressão do ar continuará atuando no interior do cilindro pneumático, mantendo assim a haste distendida. Somente quando a válvula é comutada novamente para o sentido oposto é que o fluxo de ar para o interior da câmara traseira do atuador é cessado, servindo agora, a mesma conexão para a exaustão de ar, enquanto o ar provindo da linha passa a ser COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS insuflado pela conexão (9) à câmara frontal (6), provocando com isso o retorno da haste (10). Representação Simbólica A figura 1.4 apresenta a representação simbólica normalizada, de acordo com a norma vigente, para esse tipo de atuador.
Figura 1.4 – representação simbólica normalizada
ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES COM AMORTECIMENTO Tal como em automação hidráulica, em automação pneumática os amortecedores de fim de curso tem mesma aplicação, que é absorver a excessiva energia cinética gerada em função da elevada velocidade de avanço ou retorno que o atuador venha a desenvolver durante seu funcionamento. Lembremos, pois, que em toda massa quando posta em movimento, seja com velocidade constante ou variável, haverá sempre a dissipação de energia cinética.
Onde: m = massa (kg) v = velocidade de deslocamento (m/s) EC = energia cinética (kg.m 2/s2 =Joule) Assim, quando analisamos internamente um atuador linear pneumático, observamos que o conjunto (êmbolo +haste) constitui uma massa m que, quando aplicada à equação acima juntamente com a velocidade a ser desenvolvida pelo atuador, resultará na energia cinética a ser gerada pelo conjunto. Essa energia cinética, ao final do curso do atuador, será absorvida ora pela tampa frontal (8), ora pela tampa traseira (1) – figura 1.3, conforme o movimento de extensão ou retração da haste. Uma vez que os atuadores pneumáticos trabalham com pressões bem mais reduzidas que os hidráulicos, com já fora citado anteriormente, normalmente são produzidos em ligas de alumínio, o que os tornam mais leves e mais baratos, porém mais frágeis e assim mais susceptíveis à deformação plástica. Embora a capacidade de absorção de energia seja uma função do limite elástico do material, a repetição cíclica do impacto do êmbolo à grande velocidade conduzirá à COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS fadiga do material. Essa velocidade limite, à qual o amortecedor se faz realmente necessário, gira em torno de 0,1m/s – figura 1.5
1 – Cavidade traseira
8 – conexão alim/exaus. c/reg. de amortecimento
2 – conj. Válvula de retenção
9 – Orifício de saída para amortecimento avanço
3 – câmara traseira
10 – Bucha amortecedora
4 – Câmara frontal
11 – êmbolo
5 – Cavidade frontal
12 – Ponta amortecedora da haste
6 – Haste
13 – Orifício de saída p/ amortecimento no retorno
7 – Conj. Válvula de retenção
14 – Conexão alim/exaust c/reg. amortecimento
Figura 1.5 – atuador pneumático linear de duplo efeito com amortecimento no avanço e retorno.
Princípio funcional O princípio funcional do amortecedor de fim de curso é de entendimento bastante simples. Observando a figura 3.5, verificamos que o atuador se encontra com a haste em movimento de retração, conforme a indicação da seta sobre ela, assim, ao analisarmos a câmara traseira (3) nos momentos finais da retração da haste (6), observamos que o conjunto êmbolo (11) + haste (6), quando da aproximação em elevada velocidade, chegando próximo à tampa do fundo, que possui usinado em seu centro , um furo denominado cavidade traseira (1), tem um primeiro contato com esta, através da ponta amortecedora da haste (12), que bloqueia a referida cavidade, evitando com isso a continuidade da exaustão pela conexão (14) via cavidade traseira (1). Não mais podendo ser exaurido por esse caminho, o ar confinado no restante da câmara traseira (3) tem como único caminho um pequeno orifício (13), cujo diâmetro é menor que o canal de ligação da cavidade (1), com a conexão de exaustão (14). Esse COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS fato, aliado ao ajuste do parafuso conexão de alimentação/exaustão (1), cria um efeito como se fosse uma almofada de ar, exatamente o de um amortecimento pneumático, dado que em função dessa combinação, a vazão de saída do ar sofre uma sensível redução, diminuindo então a velocidade final, quando do impacto com a cabeça do fundo (tampa traseira). O objetivo da válvula de retenção (2) é justamente permitir o controle da recirculação do ar que restou na cavidade traseira (1), bem como parte do ar que tenta sair via orifício (13) e conexão (14). O amortecimento na extensão da haste do atuador, quando em seu final de curso, ocorre de forma análoga. Representação simbólica Os amortecedores de fim de curso podem ser fixos ou variáveis. A figura 1.6 mostra a representação simbólica normalizada de acordo com as normas vigentes, assim como outras obtidas , para esses tipos de amortecedores.
Figura 1.6 – representação simbólica normalizada
ATUADORES LINEARES DE DUPLO EFEITO ESPECIAIS A busca de solução para situações bem mais específicas, como, por exemplo, a simultaneidade de movimentos, o seu escalonamento, atuação co alto impacto, a necessidade de regulagem de curso, velocidade altamente controlada e deslocamento de precisão, etc. , levou a pneumática a desenvolver variantes para os atuadores pneumáticos de duplo efeito. Estão relacionadas em seguida algumas dessas variantes com suas características e aplicações.
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS ATUADOR LINEAR DE HASTE PASSANTE Consiste em um atuador linear de duplo-efeito, que possui duas hastes contrapostas, ligadas por intermédio do êmbolo. Este tipo de atuador permite executar trabalhos alternadamente, em direções opostas, pois enquanto uma haste recua a outra avança (figura 1.7)
Figura 1.7 – Atuador linear de haste passante com amortecedores fim de curso
Uma característica importante desse tipo de atuador é a sua capacidade em força de avanço e retorno que é idêntica, isso porque a força de avanço de qualquer uma das hastes é também a força de retorno da outra, uma vez que a força de avanço de ambas as hastes é dada pelo produto entre a pressão de trabalho e a área da coroa do êmbolo (figura 1.8
Figura 1.8 – Vista do corte A-A do atuador acima
Onde: Ac – área da coroa do êmbolo, mm 2 Dp – diâmetro do pistão, mm COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS dh – diâmetro da haste, mm Pt – pressão de trabalho, N/mm 2 Fa1 e Fa2 – força de avanço da haste, N Além da igualdade de forças, há também a igualdade de velocidades, pois a vazão de alimentação é a mesma, embora essa característica possa ser modificada adicionando à conexão de alimentação, válvulas controladoras de fluxo (redutoras de vazão). Suporta ainda cargas laterais mais elevadas, e conforme a aplicação, permite que os elementos sinalizadores seja montados na haste livre. Representação simbólica Os atuadores pneumáticos lineares de haste passante tem representação simbólica normalizada de acordo com normas vigentes.
Figura 1.9 – Representação simbólica normalizada
DIMENSIONAMENTO DE ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES O dimensionamento dos atuadores lineares para especificação final em catálogos comerciais de fabricantes e revendedores é feito a partir de uma análise dos esforços envolvidos de deslocamento e tipos de montagens. ATUADORES PNEUMÁTICOS LINEARES COMERCIAIS Os atuadores pneumáticos lineares, em sua grande maioria de aplicações, desenvolvem seus esforços durante a fase de expansão da haste. Sabe-se que sempre nos movimentos de expansão ou retração da haste com aplicação de força estão presentes as forças de atrito. No caso do dimensionamento do atuador, torna-se necessário determinar a força de projeto Fp requerida para realizar a movimentação da carga. No princípio do movimento, além da força necessária à aplicação desejada, há a força de atrito estático e durante o movimento há a força de atrito cinético que não apenas agem externamente, mas também internamente no atuador. Verificou-se ainda que os coeficientes de atrito, geradores dessas forças, variam conforme a aplicação da carga, a natureza dos materiais e seu acabamento, bem como a velocidade de deslocamento e o tipo de lubrificação. Desse modo, ao calcular a força de projeto necessária à operação, deve-se corrigi-la multiplicando-a por um fator de correção φ, conforme apresentado na tabela seguinte, a fim de obter a real força de COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS avanço ou retorno, e com ela, juntamente com a pressão de trabalho, determinar o mínimo diâmetro necessário ao atuador. Velocidade de deslocamento da haste do atuador
Exemplo
Fator de correção φ
Lenta e carga aplicada somente no fim do Operação de rebitagem curso Lenta e carga aplicada em todo o Talha pneumática desenvolvimento do curso Rápida com carga aplicada somente no fim Operação de estampagem de curso Rápida com carga aplicada em todo o desenvolvimento do curso Situações gerais não descritas anteriormente
1,25 1,35 1,35 1,50 1,25
DIÂMETRO DO ATUADOR O diâmetro do atuador é determinado em função da força de avanço Fa, que é a força de projeto Fp corrigida pelo f ator φ (tabela acima), e da pressão de trabalho Pt (normalmente 6kp/cm2). Esse diâmetro refere-se ao diâmetro interno do cilindro que é obtido da equação da área do pistão, para o caso de força aplicada durante a fase de avanço (equação abaixo). Se, no entanto, a força for aplicada durante a fase de retorno do atuador, a variável Ap na equação deve ser mudada pela variável Ac (área da coroa).
Lembrando a equação da pressão em que:
Isolando a variável Ap e substituindo-a na equação 1, teremos:
Lembrando ainda que:
Substituindo a equação 4 na equação 3, teremos que a mínima dimensão de diâmetro a ser utilizada será dada por:
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Em que: Dp – Mínimo diâmetro aceitável do pistão (cm); Fp – Força de projeto, força necessária para execução da operação (kp) φ – Fator de correção da força de projeto (Tabela acima)
Pt – Pressão de trabalho (kp/cm 2) Uma vez calculado o diâmetro do pistão, e conhecidas as demais necessidades quanto ao tipo de fixação, curso, etc, pode-se procurar nos catálogos dos fabricantes um atuador pneumático que tenha diâmetro no mínimo igual ou ligeiramente superior ao calculado, caso não exista um comercial de diâmetro igual ao calculado, assim: Diâmetro comercial ≥ diâmetro calculado
VERIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DO DIÂMETRO DA HASTE PELO CRITÉRIO DE EULER 1 Em situações em que há possibilidade de alternância da carga, com variações para valores ligeiramente maiores durante o deslocamento da haste do atuador e que ela tenha L ≥ 500mm, além do tipo de montagem adotado, é conveniente verificar a
possibilidade de flambagem da haste, fazendo a verificação do seu diâmetro mínimo necessário, a fim de saber se o diâmetro oferecido pelo fabricante satisfaz a necessidade de projeto com segurança para a própria vida útil do equipamento. Para essas situações, muitos fabricantes disponibilizam em seus catálogos dois ou mais diâmetros de haste para cada atuador e a partir de Dp ≥ 50mm (2in) por
exemplo: Dp (in) dh (in)
1/2
1
11/2
2
21/2
31/4
4
5
6
1/4
5/16
5/8
5/8 1
5/8 1
1
1
1
11/4
13/4
13/8
1 3/8 13/4
8
10
12
13/8 13/4 13/4 2
2 21/2
O critério de Euler analisa a relação entre o comprimento L da haste e o tipo de fixação, tabela abaixo, fornecendo um c oeficiente λ, conhecido como comprimento livre de 1
A UTILIZAÇÃO DO CRITÉRIO DE EULER PARA VERIFICAÇÃO E DIMENSIONAMENTO DA HASTE DO ATUADOR É ALTAMENTE RECOMENDADA, POIS DÁ AO PROJETISTA A CERTEZA DO DIÂMETRO MÍNIMO NECESSÁRIO E SEGURO PARA O TIPO DE FIXAÇÃO ESCOLHIDO E COMPRIMENTO DE HASTE GARANTINDO A SEGURANÇA QUANTO À SUA FLAMBAGEM.
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS flambagem, que é aplicado no seguinte equacionamento, possibilitando verificar se o diâmetro da haste oferecido no catalogo satisfaz as necessidades de projeto. A carga de flambagem de acordo com Euler é dada por:
Sendo que:
Isso significa que com essa carga ocorre a flambagem da haste e, portanto, a maior força de avanço admitida será quando Fa estiver na iminência de atingir o valor de k:
Para dimensionarmos o diâmetro da haste utilizando o critério de Euler, basta que façamos com que a força de avanço Fa, seja igual a carga de flambagem K, dividida por um coeficiente de segurança S:
Em que: λ – Comprimento livre de flambagem (cm) – tabela abaixo
E – módulo de elasticidade do aço (módulo de Young) = 2,1 x10 7 N/cm2 J – Momento de inércia para seção circular da haste (cm 4) K – carga de flambagem (N) Fa – Força de avanço (N) S – coeficiente de segurança (3,5 – 5) Feito o dimensionamento, verifica-se no catálogo se o fabricante fornece um diâmetro de haste comercial que seja no mínimo igual ou ligeiramente maior que o calculado.
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TABELA.10 – EXEMPLOS DE CARGA DE EULER
EXERCÍCIO EXEMPLO A figura abaixo representa a mesa de um dispositivo, que é movimentada por deslizamento sobre prismas lubrificados, perfazendo um deslocamento total de 100cm. Dimensionar comercialmente o atuador pneumático considerando a situação de montagem de acordo com o caso 2 da TABELA.10. Verificar pelo critério de Euler qual o diâmetro mínimo necessário para a haste. Considere a força peso da mesa com 150kp e a pressão de trabalho com 6kp/cm2.
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS Solução: Determinação do diâmetro do pistão.
A tabela abaixo indica que o diâmetro comercial de um atuador ISO mais próximo é de 80mm com uma haste de 25mm.
CILINDROS NORMALIZADOS ISO – PARKER
Verificação da haste pelo critério de Euler. S = 5 λ = L = 100cm (caso 2 da tabela 10)
E = 2x10 7N/cm 2 Fa = Fp.φ = 150 . 1,5 = 225kp = 2207,25N
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Substituindo:
Concluindo que os atuador ISO de Dp = 80mm e dh = 25mm satisfaz perfeitamente com segurança a necessidade do projeto.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS 01) Quanto aos atuadores pneumáticos de simples efeito, é correto afirmar: a. Podem ser usados em todas as ocasiões sem restrições. b. Seu retorno é sempre ocasionado pela força de restituição de uma mola. c. São desaconselhados cursos acima de 100mm em função do tempo de retorno. d. São sempre de concepção normalmente retraídos. 02) Quanto aos atuadores pneumáticos de duplo efeito, é correto afirmar: a. O volume de ar possível de ser insuflado na câmara traseira é igual ao da câmara frontal. b. A energia cinética dissipada pelo conjunto êmbolo + haste é fator preponderante na determinação da necessidade ou não do uso de amortecedores de fim de curso. c. O uso do alumínio na confecção dos atuadores pneumáticos é adotado unicamente porque o fluido de trabalho é o ar. d. A capacidade de absorção da energia cinética pelo alumínio não é função de seu limite elástico. 03) O princípio funcional dos amortecedores de fim de curso é: a. Molas internas posicionadas nas extremidades das câmaras traseira e frontal. b. Formação de bolsões de ar nas câmaras, originados pela existência de pré-câmaras internas. c. Existência de cavidades nos tampos traseiros e frontal os quais são dotados de orifícios redirecionadores de saída do ar, controlados por válvulas reguladoras, sendo as cavidades gradualmente preenchidas por ponta e bucha amortecedora durante o movimento de expansão ou retração da haste. d. Nenhuma das alternativas. 04) Determine a força de avanço e velocidade de um atuador pneumático linear de haste passante, cujos dados são: L = 350mm, ta = 5s, Dp = 80mm e dh = 25mm, Pr = 6 bar. COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS 05) Partido da equação abaixo e dos valores listados em seguida, obtenha o valor da força de avanço Fa. Dados: = 50cm, S = 5, dh = 25mm, E = 2x107 N/cm2. VÁLVULAS DE COMANDO E APLICAÇÕES BÁSICAS CONCEITO São todas as válvulas que, ao receberem um impulso pneumático, mecânico, ou elétrico, permitem que haja fluxo de ar pressurizado para alimentar determinado(s) elemento(s) do automatismo. Também são válvulas de comando, as que permitem controlar o fluxo do ar para os diversos elementos do sistema, mediante ajuste mecânico ou elétrico, as que permitem o fluxo em apenas um sentido, os elementos lógicos, as controladoras de pressão e as temporizadas. VÁLVULAS DE CONTROLE DIRECIONAL Conhecidas também pelo nome de distribuidores de ar, possuem dois tipos construtivos: Carretel deslizantes (translação); Centro rotativo (rotação). Em pneumática os distribuidores de ar são sempre do tipo carretel deslizante. Na hidráulica é comum encontrarmos os dois tipos de construção. CONVENÇÃO DA REPRESENTAÇÃO 01) Uma posição é representada por um retângulo. 02) O número de retângulo justapostos indica o número de posições. 03) Os orifícios são representados por pequenos traços colocados de fora do retângulo, que definem a posição mais freqüente (posição normal). 04) As vias ou ligações estão indicados por setas ligando os orifícios. 05) Os fechamentos estão indicados por um traço curto transversal, formando um T, colocado no interior do retângulo. 06) Reconhecemos as outras posições, além da posição normal, ao deslocarmos os retângulos para que os orifícios fiquem sobre o retângulo apropriado. 07) O conduto de ar comprimido é representado por um pequeno círculo marcado internamente por outro menor e cheio, como se fosse um alvo. 08) O conduto para a atmosfera tem um pequeno triângulo, representando a via de exaustão. O quadro abaixo exemplifica o que fora exposto anteriormente.
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS A figura indica tratar-se de um distriuidos de três posições, pois é composto por três retângulos. Estão representados também três orifícios (três traços do lado de fora), marcados com suas respectivas letras, A para conexão de trabalho, P de pressão e R de exaustão. Nesta outra, indica que o distribuidor encontra-se em sua posição normal centrado, com os traços externos sempre fechados. Indica também o símbolo da conexão de pressão e o da conexão de exaustão. Já nesta figura, mostra que o distribuidor foi comutado através de um pulso, que pode ter sido pneumático, mecânico ou elétrico. Desta forma há comunicação (fluxo de ar) da conexão P com a conexão A (única via de trabalho). O distribuidor foi agora comutado por um pulso que atuou no sentido oposto ao anterior, permitindo assim a comunicação entre as conexões A e R, possibilitando a livre exaustão para atmosfera. Este distribuidor será chamado 2/3/3 2 vias/3 orifícios/3 posições Estrutura Funcional Externamente as válvulas de controle direcional apresentam-se dos mais variados tipos, pois seu formato é definido pelo fabricante, como podemos ver nas fotos abaixo, entretanto, internamente, a concepção funcional é sempre a mesma, ou seja, sistema carretel deslizante, conforme mostra a figura abaixo.
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Sistema deslizante de carretel, e fotos de fabricantes diferentes
VÁLVULA DISTRIBUIDORA DE 1 VIA/ 2 ORIFÍCIOS É o tipo mais simples de distribuídos que há, pois contém apenas dois orifícios e uma única via.
Na situação (a) não há nenhuma possibilidade de comunicação entre os orifícios P e A. Já na situação (b), após ter sido acionado o botão (puxado), passa a haver comunicação entre os orifícios P e A. Essa concepção específica é normalmente utilizada como chave geral, permitindo ou bloqueando o fluxo de ar no sistema como um todo, ou parte do sistema.
Distribuidor ½ usado como válvula de partida e bloqueio na alimentação de um circuito pneumático
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS Esse distribuidor admite variantes em seu sistema de acionamento e retorno, como, por exemplo, acionamento mecânico, por pulso pneumático ou elétrico, tendo nessas variantes seu retorno por mola, e podendo ser do tipo NF ou NA.
Representação simbólica normalizada de um distribuidor 1/2 dos tipos NA e NF com acionamento por rolete e retorno por mola.
Nesta concepção apresentada, com retorno por mola, o distribuidor só permanece comutado durante o tempo em que o rolete estiver sendo comprimido. Encerrada a compressão, o distribuidor retorna à posição normal pela ação da mola. Uma das aplicações mais comuns dessa variante é como válvula de fim de curso, situação a qual analisaremos posteriormente. VÁLVULA DISTRIBUIDORA DE 2 VIAS/ 3 ORIFÍCIOS Já analisamos anteriormente a concepção funcional dessa válvula, onde apresentamos o modelo 2/3/3, há também o tipo 2/3/2 (2 vias, 3 orifícios, 2 posições), que simbolicamente é representado pela figura abaixo.
Representação esquemática (a) e simbólica normalizada (b) de um distribuidor 2/3/2 com acionamento por alavanca
Sua aplicação, em geral, é indicada para o comando de atuadores pneumáticos de simples efeito, como mostra a figura abaixo.
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(a) Ilustração esquemática de um atuador de simples efeito comandado por um distribuidor 2/3/2, (b) circuito simbólico normalizado.
O movimento da alavanca provoca a comutação do distribuidor, permitindo ou não o fluxo do ar no sentido P-A ou A-R. VÁLVULA DISTRIBUIDORA DE 4 VIAS/ 5 ORIFÍCIOS Pode ser do tipo 4/5/3 ou 4/5/2 posições, com acionamento manual, mecânico, pneumático ou elétrico.
Distribuidores 4/5/3 e 4/5/2 em forma simbólica normalizada e ilustrativa do princípio funcional
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS Na figura acima, é possível ver que o distribuidor do tipo 4/5/3 assume em seu funcionamento as três posições representadas: (a) normal central, (b) atuado permitindo o fluxo P→B e A→R, (c) atuado permitindo o fluxo P→A e B→R. Esse distribuidor,
portanto, que é de uso com atuadores lineares de duplo efeito, possibilita a capacidade de parar em qualquer posição, pois em qualquer tempo que for desligado (posição normal central), o fluxo de ar pelos orifícios A ou B é imediatamente interrompido (figura abaixo).
Distribuidor do tipo 4/5/3 mostrando possibilidade de parada em qualquer posição.
Já o distribuidor do tipo4/5/2, assume apenas os estados indicados em (b) e (c), permite que o atuador pare somente em suas posições final e inicial (figura abaixo).
VÁLVULA DISTRIBUIDORA DE 4 VIAS/4 ORIFÍCIOS Esta concepção de válvula pode ser de dois tipos: 4/4/3 e 4/4/2, e assim como a demonstrada no item anterior, também é de uso específico em atuadores lineares de duplo efeito. Raramente é utilizada em circuitos pneumáticos, porém é de extensivo uso em circuitos hidráulicos.
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Distribuidor 4/4/3 e 4/4/2 em forma simbólica normalizada e ilustrativa do princípio funcional
A figura acima apresentou sua forma simbólica normalizada e seu princípio funcional interno.
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS VÁLVULAS CONTROLADORAS DE FLUXO Sua função é controlar o fluxo de ar que alimenta um determinado componente do circuito, nesse caso, em geral, os atuadores pneumáticos. Lembrando ao fluxo C é o volume de fluido que flui num intervalo de tubulação em uma unidade de tempo. Normalmente dado em litros por segundo, centímetros cúbicos ou metros cúbicos por segundo. Controlar, portanto, o volume de fluido na unidade de tempo significa controlar a velocidade, pois a velocidade de um atuador é diretamente proporcional ao fluxo, e quanto maior o fluxo de ar agindo sobre o atuador, maior será a sua velocidade. As válvulas controladoras de fluxo podem ser do tipo fixa ou variável, unidirecional ou bidirecional. VÁLVULA DE CONTROLE DE FLUXO FIXA BIDIRECIONAL É assim denominada porque não admite ajuste, sendo a restrição permanente de mesmo diâmetro, e o fluxo é controlado igualmente em ambas as direções (C m→n = Cn→m). A figura abaixo mostra sua representação esquemática e simbólica normalizada.
Controladora de fluxo fixa bidirecional – (a) esquemática (b) simbólica normalizada
VÁLVULA DE CONTROLE DE FLUXO VARIÁVEL BIDIRECIONAL Em muitas ocasiões torna-se necessário variar a intensidade do fluxo em função de algum ajuste de operação. Para isso, essa válvula é então dotada de um parafuso cônico regulável que pode aproximar-se ou afastar-se de um assento. Essa regulagem permite a passagem de maior ou menor quantidade de fluido através da válvula e, consequentemente, o ajuste de velocidade do atuador. O fluxo é controlado igualmente em ambas as direções (C m→n = Cn→m).
Controlador de fluxo variável bidirecional – (a) esquemático (b) simbólico normalizado
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS VÁLVULA DE CONTROLE DE FLUXO VARIÁVEL UNIDIRECIONAL Essa válvula apresenta um dispositivo de controle de fluxo e uma válvula de retenção incorporada no mesmo corpo. No sentido de passagem m →n, o ar flui livremente através da válv ula de retenção que se abre. No sentido n →m, válvula de
retenção fecha-se, impedindo o fluxo e obrigando o ar a passar pela via [p] em que a restrição é controlada por um parafuso de ajuste. Desta forma, quanto ao fluxo de ar, verifica-se que Cm→n > Cn→m..
Controlador de fluxo variável unidirecional – (a) esquemático, (b) simbólico normalizado
VÁLVULAS DE BLOQUEIO VÁLVULA DE RETENÇÃO COM MOLA Neste tipo de válvula, um elemento de vedação em seu interior é fixo a uma mola, permitindo o fluxo do fluido em um sentido e bloqueando-o no outro sentido. O bloqueio se dá pela força de expansão da mola, que mantém o elemento de vedação constantemente fechando a passagem em um dos sentidos. Na figura abaixo é mostrado o desenho esquemático de uma válvula comercial, cujo princípio de bloqueio é de fácil verificação, pois quando o fluxo do fluido se dá no sentido A → B, o ar pressiona o elemento vedante empurrando-o, fluindo então, através de janelas circulares existentes no seu entorno, seguindo em direção a B. Entretanto, se houver fluxo de ar no sentido B → A, ele encontrará a mola completamente distendida, bloqueando com o elemento de vedação a passagem do ar para A. COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS Outro ponto é que no sentido de fluxo A → B, pela necessidade de vencer a força de oposição da mola, deve haver uma pequena queda de pressão, porém pouco significativa.
(a) Esquemático de uma válvula de retenção com mola, (b) simbólico normalizada.
VÁLVULA DE RETENÇÃO SEM MOLA De forma análoga à anterior, permite o fluxo de ar somente em um se ntido (A → B) com um elemento de retenção interno ativado pela própria pressão do fluido.
(a) Esquemático de uma válvula de bloqueio sem mola, (b) simbologia normalizada
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS VÁLVULA SELETORA (FUNÇÃO LÓGICA OU) Apresenta três orifícios: duas entradas de pressão (X – Y), um ponto de saída (A) e um elemento interno. Com o envio de um sinal a uma das entradas, desloca-se o elemento seletor interno e automaticamente a outra entrada fica bloqueada e o sinal flui para utilização. Terminado o fornecimento de ar, o seletor interno mantém a posição adquirida (em função do último sinal enviado) e o ar que foi utilizado retorna pelo mesmo trajeto.
(a) Esquemático de uma válvula do tipo OU, (b) Simbologia normalizada.
Havendo coincidência de sinal nas duas entradas, prevalecerá o sinal que atingir primeiro a válvula. No caso de pressões diferentes, a pressão mais intensa passará para o ponto de utilização, impondo bloqueio à pressão de menor intensidade. VÁLVULA DE SIMULTANEIDADE (FUNÇÃO LÓGICA E) A exemplo da válvula seletora, também possui duas entradas de pressão (X – Y), um ponto de saída (A) e um elemento interno. Este , no entanto, difere do anterior na sua forma construtiva e, consequentemente, na característica de funcionamento da válvula. Enviando um sinal a uma das entradas, o elemento se desloca bloqueando a própria entrada que recebeu o sinal, e deixando livre a entrada oposta que, ao receber pressão de alimentação, permite a passagem para a utilização (saída). O termo simultaneidade decorre da necessidade de existir pressão em ambas as entradas para que haja passagem de fluxo. Existindo coincidência de sinais nas duas entradas, prevalece o último sinal a atingir a válvula, no caso de pressões iguais. No caso de pressões diferentes, a pressão de menor intensa passa para o ponto de utilização devido ao bloqueio imposto pela pressão de maior intensidade.
(a) Esquemático de uma válvula do tipo E, (b) Simbologia normalizada.
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VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO Sua aplicação tem por objetivo aumentar as velocidades desenvolvidas pelos atuadores pneumáticos lineares. A velocidade de escape do ar contido no interior do atuador é o fator determinante para a rapidez de movimentação desejada. Para conseguir tal rapidez, a pressão numa das câmaras deve ter caído apreciavelmente antes que a pressão na câmara oposta aumente o suficiente para ultrapassá-la e para impulsionar o ar residual através da tubulação secundária e válvulas.
(a) Esquemático de uma válvula de escape rápido, (b) Simbologia normalizada
VÁLVULAS CONTROLADORAS DE PRESSÃO São válvulas que influenciam ou sofrem influência em relação a uma determinada intensidade de pressão. Dentre elas podem ser destacadas:
Válvula de alívio ou limitadora de pressão; Válvula de sequência; Válvula reguladora de pressão.
VÁLVULA DE ALÍVIO OU LIMITADORA DE PRESSÃO São função é limitar a pressão máxima de um reservatório, linha de ar comprimido ou compressor. Seu funcionamento consiste no posicionamento de um êmbolo ou esfera sobre uma sede, através de uma mola que teve sua tensão ajustada por um sistema de parafuso e porca de regulagem. Havendo um aumento de pressão acima do regulado, o êmbolo ou esfera se desloca da sede, fazendo com que o excesso de ar tenha caminho livre para a atmosfera. Com o equilíbrio de pressão a mola posiciona o êmbolo ou esfera na sede e a válvula se fecha.
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(a) Esquemático de uma válvula de alívio, (b) Simbologia normalizada
VÁLVULA DE SEQUÊNCIA Tem basicamente o mesmo funcionamento da válvula de alívio, porém a saída do ar é utilizada para comandos ou emissão de sinais em qualquer elemento pneumático. Este tipo de válvula é utilizado, por exemplo, nos esquemas pneumáticos das máquinas quando queremos detectar a finalização de um movimento sem a presença de um fim de curso.
(a) Esquemático de uma válvula de sequência, (b) Simbologia normalizada
REGULADOR DE PRESSÃO É o elemento que está na entrada de ar da máquina (na unidade de condicionamento). Tem como função controlar a “energia” pneumática fornecida ao
sistema em questão. O funcionamento do regulador de pressão consiste na comparação de dois tipos de energia, a mecânica e a de pressão (pneumática), separadas por um diafragma e o conjunto obturador apoiado nele. Havendo um desequilíbrio de energia, o sistema se movimenta, proporcionando a sua equalização. Por exemplo: tendo uma queda de pressão, o diafragma se movimenta impulsionado pela mola, fazendo com que o obturador se abra, permitindo a passagem de ar para o sistema ser equalizado.
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(a) Esquemático de uma válvula reguladora de pressão, (b) Simbologia normalizada
VÁLVULA DE RETARDO Como já estudamos à válvula de sequência, cuja função é possibilitar o disparo de sequências de movimentos, ou mesmo retorno de atuadores, sem necessitar de válvulas de fim de curso, isto é, programando-as simplesmente para disparo em pressões diferenciadas. Por exemplo, supondo necessitarmos disparar uma sequência de três atuadores, é possível com a referida válvula, programar uma atuador para dispara com 6 bar, o segundo com 7 bar e o terceiro, quando a pressão atingir os 8 bar. Analisando o fato, é possível então, verificarmos que esse diferencial de pressão de 1bar entre os disparos ocorrerá durante um tempo Δt qualquer o qual é ignorado, pois o que nos interessa, no caso da válvula de sequência, é o diferencial de pressão. Porém, quando há necessidade que um determinado disparo de atuador ocorra exatamente dentro de um tempo estabelecido, em função de um dado processo, por exemplo, tornase necessária a utilização de um controlador de tempo, que pode ser um temporizador eletrônico que atuará uma válvula eletropneumática, ou ainda uma configuração híbrida pneumática, resultante da junção de uma válvula distribuidora 2/3/2 com um pequeno reservatório e uma controladora de fluxo, sendo que a válvula 2/3/2 só é comutada após ter sido o reservatório abastecido totalmente.
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(a) Válvula pneumática de retardo comercial; (b) Tipo VZB 3-1/4 normalmente aberta; (c) Tipo VZOB 3-1/4 normalmente fechada
Nesse caso, há uma relação entre o tempo de abastecimento do reservatório, o fluxo de alimentação e a comutação da válvula, sendo que esse tempo é marcado através de um parafuso de ajuste dotado de uma escala, que regula o fluxo do ar de enchimento. A figura acima, mostra uma dessa válvula de controle e seu respectivo símbolo normalizado. Exercícios 01) Conceitualmente pode-se afirmar quanto às válvulas de comando: a. Somente as válvulas destinadas a promover o avanço ou o retorno dos atuadores pneumáticos são efetivamente válvulas de comando. b. Os elementos lógicos E são apropriados para comandos de disparo em mais de uma posição. c. Todas as válvulas que por comutação alimentam atuadores, bem como os elementos lógicos E, OU, controladoras de pressão, fluxo, sequência e temporizadas, são classificadas como válvulas de comando. 02) Válvulas de fim de curso normalmente são do tipo: a. 2/2/2 b. 2/3/3 c. 1/2/2 03) A denominação 2/3/3 significa: a. Dois orifícios, três vias e três posições b. Duas vias, três orifícios e três posições c. Duas posições, três vias e três orifícios COLÉGIO IMPACTO – CURSOS TÉCNICOS E TREINAMENTOS
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS 04) Para o acionamento e alimentação de um atuador pneumático linear de simples efeito, a válvula de comando recomendada é a do tipo: a. 1/2/2 b. 2/3/2 c. 4/5/2 05) Em uma válvula controladora de fluxo variável unidirecional é possível afirmar a existência da seguinte relação quanto ao fluxo C: a. Cm→n = Cn→m b. Cm→n < Cm→n c. Cm→n > Cm→n 06) Em uma válvula seletora (função OU) pode-se afirmar: a. No caso de coincidência de sinais nas conexões X e Y, a pressão menos intensa passará para o ponto de utilização A. b. No caso de coincidência de sinais nas conexões X e Y, a pressão mais intensa passará para o ponto de utilização A. c. Ambos os sinais passarão para o ponto de utilização. 07) Quanto às válvulas de sequência, é correto afirmar: a. São programadas em função de diferencial de tempo b. Funcionam exatamente igual às reguladoras de pressão. c. São programadas em função do diferencial de pressão. 08) Quanto às válvulas de escape rápido, é correto afirmar: a. Não possuem relação nenhuma com a energia cinética desenvolvida pelo atuador durante o movimento. b. Possibilitam maior aceleração do atuador em virtude de expulsar para atmosfera grande parte do ar da câmara interna do atuador, eliminando assim mais rapidamente a contrapressão oferecida pela resistência do ar residual. c. São válvulas eminentemente silenciosas.
VÁLVULAS DE COMANDO ELÉTRICO
CONCEITO De estrutura funcional interna muito semelhante a estudada anteriormente, as válvulas de comandos elétricos apenas se diferem daquelas quanto à sua forma de acionamento.
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Válvula 2/3/2 atuada por solenóide – representação esquemática e simbólica normalizada.
Nas válvulas convencionais, o acionamento se dá, normalmente, por ação mecânica, manual ou pneumática. Enquanto nas válvulas de comando elétrico, sua comutação é obtida por meio de impulso elétrico originado por uma bobina CA e CC. A bobina é fixada pelo seu centro ao corpo da válvula , por meio de um núcleo solidário a esta.
Diâmetro da bobina
CARACTERÍSTICA As bobinas magnéticas normalmente possuem formato semelhante, sendo em geral o diâmetro da bobina padronizado, o que possibilita o intercâmbio com bobinas de outros fabricantes. As bobinas magnéticas em geral operam com tensões de 12 a 240V
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SENSORES E COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELÉTRICOS em corrente contínua ou alternada, conforme especificações do cliente, sendo que em tensões normais:
Corrente contínua: 12 a 24V Corrente alternada: 24, 110 ou 220V
MODOS DE ACIONAMENTO O acionamento das bobinas magnéticas é feito a partir de chaves de partida e parada, interruptores, micro-switch, relés, pressostatos e sensores. CHAVE IMPULSO SEM RETENÇÃO É um dispositivo que só permanece acionado enquanto houver uma força incidindo sobre ele. Cessada a força, o dispositivo retorna à sua condição normal que pode ser: Normalmente aberta (NA); Normalmente fechada (NF).
CHAVE COM RETENÇÃO OU TRAVA É um dispositivo que, uma vez acionado, mantém essa condição até que seja feita uma nova ação sobre ele. Construtivamente pode ser também NA ou NF.
CHAVE SELETORA COM OU SEM TRAVA É um dispositivo que só permanece acionado enquanto houver uma força incidindo sobre ele (tipo sem trava) ou que permanece comutado até que uma força agindo sobre ele modifique sua condição. Também pode ser do tipo NA ou NF.
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