HIDRULICA E PNEUMTICA

Profa. Danielle Alves daniellealves@ifce.edu.br IFCE Campus Fortaleza

1. ATUADORES PNEUMTICOS

So os responsveis pela transformao da energia de

presso em energia mecnica de translao (cilindros) e

rotao (motores).

Atuadores pneumticos incluem cilindros lineares e atuadores rotativos.

So dispositivos que proporcionam fora e movimento para sistemas automatizados, mquinas e processos.

O cilindro pneumtico um dispositivo simples, de baixo custo e fcil de instalar, sendo ideal para produzir fora em

movimento linear.

A velocidade pode ser ajustada em uma ampla faixa.

O curso do cilindro pode ser bloqueado sem danos.

Condies adversas so toleradas, tais como: umidade, ambientes secos e poeirentos e limpeza por jatos de gua.

O dimetro do cilindro determina a fora mxima que ele pode exercer.

O curso do cilindro determina o mximo movimento linear que ele pode produzir.

A presso mxima de trabalho depende do projeto do cilindro. Cilindros padro VDMA trabalham com at 16 bar.

A fora controlada atravs de um regulador de presso.

Os atuadores pneumticos so fabricados em uma ampla

variedade de tamanhos, estilos e tipos que incluem:

Simples ao

Dupla ao Sem amortecimento ou amortecimento fixo

Amortecimento ajustvel

Com mbolo magntico

Cilindros sem haste

Atuador rotativo

Cilindros de fixao

Atuador tipo fole

Tipos

simples efeito

Simples ao - retorno por mola

O fluido executa apenas um dos movimentos, enquanto o outro se d, geralmente, atravs de uma mola. Utilizam

vlvula direcional de 3 vias.

Simples ao - sem mola

A gravidade ou outras foras externas retornam a haste.

Dupla ao

Cilindros de dupla ao usam ar comprimido para exercerem

fora em ambos os sentidos.

Controle de velocidade superior. Existem:

Modelos sem amortecedor Modelos com amortecedor fixo Modelos com amortecedor ajustvel

O fluido executa agora tanto o movimento de avano como o

de recuo do cilindro . Utilizam vlvulas de controle direcional de

4 ou 5 vias.

Dupla ao - sem amortecedor

Cilindros sem amortecedor so adequados para cursos completos com baixa velocidade.

Alta velocidade com amortecimento externo.

duplo efeito

Dupla ao - amortecedor fixo

Pequenos dimetros para servios leves tm amortecedor fixo.

D/A amortecedor ajustvel

Neste tipo de atuador podemos reduzir o choque entre o embolo e as tampas do cilindro atravs de amortecedores

pneumticos devidamente instalados nas cmaras dianteira

e/ou traseira, reduzindo assim o rudo

Com amortecimento varivel

Dupla ao magntico

Uma cinta magntica em volta do mbolo opera um sensor tipo reed para indicar a posio do curso.

Haste dupla

Utiliza as duas extremidades da haste na execuo de trabalhos, permitindo assim o uso de todo o curso do embolo,

como tambm de ter iguais foras de avano e recuo. Utilizam

vlvulas de controle direcional de 4 ou 5 vias.

haste dupla

Duplex geminado

Tem como principal vantagem o fato de dispormos de dois cilindros opostos em uma mesma camisa, possibilitando

assim que a ponta de uma das hastes possa alcanar

diversas posies, bastando para isto que se mantenha presa

a outra haste.

Duplex contnuo

Este tipo de cilindro tem como principal vantagem o fato de dispormos de dois cilindros em srie, em uma mesma camisa,

possibilitando assim uma maior fora til, sem aumento do

dimetro do cilindro.

Cilindros sem haste

Possui cilindro (geralmente de alumnio), uma luva de material ferroso com uma fita magntica. Tem como limitao

a fora da ao magntica sobre a luva, da ordem de 400 N.

sem haste

Cilindros Telescpico

empregado quando se faz necessrio um grande curso, como por exemplo em pequenos elevadores, empilhadeiras

ou mquinas de terraplenagem de carga, sendo usado

preferencialmente na posio vertical.

simples efeito Duplo efeito

Telescpico

Cilindro de impacto

Utilizado em pequenas prensas. Para se obter grande energia cintica, as duas cmaras so pressurizadas ao

mesmo tempo, o que impede o avano devido a diferena

entre as reas. Quando a cmara dianteira despressurizada

o mbolo avana fazendo com que a rea de atuao do ar

seja a do cilindro. Com o rpido aumento da rea traseira, o

mbolo arremessado com grande velocidade (cerca de 8

m/s), o que se traduz em um forte impacto que objetiva cortar,

dobrar, rebitar ou outra operao tpica de uma prensa de

impacto.

Atuadores Semi-Rotativos

Utilizados para girar componentes, operar vlvulas de

controle de processos, executar movimentos de pulso em aplicaes robticas

Proporciona rotao de at 360 Atuador tipo palheta Atuador tipo pinho e cremalheira

Atuador rotativo de palheta

Atuador rotativo - Pinho e

Cremalheira

duplo torque

Motores

So os responsveis pela energia mecnica de rotao. Utilizados principalmente como acionadores de ferramentas

manuais.

com um

sentido

de

rotao

fluxo fixo

com dois

sentidos

de

rotao

fluxo fixo

com um

sentido

de

rotao

fluxo

varivel

com dois

sentidos

de

rotao

fluxo

varivel

Turbina, palhetas. Engrenagens, pistes radiais, pistes axiais

Cilindros de Fixao

Para uso em espaos confinados onde um pequeno curso requerido.

Pequeno comprimento em relao ao dimetro.

Geralmente usado em aplicaes leves.

A verso Simples ao a mais usada, mas existem tambm de Dupla ao com haste dupla.

Retorno por mola. Dupla ao haste dupla.

Fole

Amortecimento

O amortecimento protege o cilindro e a carga pela absoro da energia no final do curso. Este resulta numa

desacelerao progressiva e em um contato suave entre o

mbolo e o cabeote.

Amortecimento fixo

Discos de material macio montados nos cabeote absorvem o impacto do mbolo.

Amortecimento ajustvel

O mbolo se move para a esquerda com alta velocidade. A exausto do ar dada pelo centro da vedao.

A vedao empurrada para a esquerda vedando no fundo do alojamento e pelo dimetro interno.

O ar s pode escapar pelo parafuso de ajuste. A presso cresce e amortece o mbolo.

O parafuso ajustado para proporcionar um contato suave do mbolo e da carga com o cabeote.

A vlvula direcional invertida para o cilindro avanar. A vedao do amortecedor empurrada para a direita. Canais do lado direito e o lado externo da vedao permitem

a livre passagem do ar.

O mbolo inicia o movimento para a direita sem a restrio do parafuso de ajuste.

Consumo de ar

Cilindro de simples efeito

ccsf

RNLAC

...

C consumo de ar em litros/min; A rea do cilindro em cm2; L curso do pisto em cm; Nc nmero de ciclos/min Rc razo de compresso T tempo para um nico ciclo em segundos

Patm

PatmPtRc

Pt presso de trabalho Patm presso atmosfrica

T

RLAC csf

..

Dimensionamento do cilindro

Cilindro de duplo efeito

ccdf

RNLaAC

..).(

C consumo de ar em litros/min; A rea do cilindro em cm2; a - rea da coroa circular do cilindro

em cm2;

L curso do pisto em cm; Nc nmero de ciclos/min Rc razo de compresso T tempo para um nico ciclo em segundos

T

RLaAC csf

.).(

Cilindro de haste dupla

cchd

RNLaC

..).2(

C consumo de ar em litros/min; A rea do cilindro em cm2; a - rea da coroa circular do cilindro

em cm2;

L curso do pisto em cm; Nc nmero de ciclos/min Rc razo de compresso T tempo para um nico ciclo em segundos

T

RLaC chd

.).2(

Calcular o consumo e o fluxo de ar para um cilindro de

simples ao com 100mm de dimetro e 1m de curso.

Sabe-se que a presso de trabalho 6 bar e o nmero e

tempo de ciclo 1/8 ciclos por segundo.

Exemplo

ccsf RNLAC ...

013,1

013,16.

8

1.100.

4

)10( 2 bar

segundos

cicloscm

cmCsf

92,6.min

5,7.7850 3ciclos

cmCsf

min1000

407415

min

cm407415

33 dmCsf

segundos

litros8,6

min

dm407,415

3

sfC

TRLAC csf

..

sCsf

8

92,6.100.4

)10( 2

s

cmCsf

8

92,6.100.78,5cm2

sCsf

8

92,6.7850cm3

1000

s

cm 6790,25

8

54322cm

3

3

s

Csf

segundos

litrosCsf 8,6

min3,26litros

Csf

Qual o consumo de ar de um cilindro de dupla ao com

dimetro de 50 mm, dimetro da haste de 12 mm e 100 mm

de curso? O cilindro faz 10 ciclos / min. A presso de

trabalho de 6 bar.

Exerccio

Clculo de foras

simples efeito

Fu A

ru FAPF ).(

)(_ kgfresistenteforaFF mr

Fu fora til em kgf; Fm fora da mola em kgf; P presso de trabalho em kgf/cm2;

Fat fora de atrito em kgf; A = rea do cilindro em cm2;

duplo efeito de haste simples

A ah

a

Fu

FatAPFau ).( FataPFru ).(

Fu fora til em kgf; Fm fora da mola em kgf; P presso de trabalho em kgf/cm2;

Fat fora de atrito em kgf; A = rea do cilindro em cm2;

a - rea da coroa circular do cilindro

em cm2;

Atuador de Alto Impacto

Clculo de fora

Da mecnica dos fluidos, o fluxo de massa de um

fluido, seja ele incompressvel ou compressvel,

permanece sempre constante ao longo de uma

tubulao pela qual escoe, independente de

quaisquer variao em sua seco transversal.

21 mxmx mm

Avmmx ..1

massa especfica do fluido kg/m3

v velocidade de escoamento (m/s)

A rea da seco transversal do duto (m2)

2211 .... AvAv

2211 .. AvAv

0

1

2

.

A

Avv

p

A0

Ap

)(

)(1

st

mLv

a

2

2

1mvEC

0

2)(

).(

Ast

AmLv

a

p

2

0)(

).(

2

1

Ast

AmLmEC

a

p

2

)(

)(

2

1

st

mLmEC

a

Atuador de Alto Impacto

Atuador normal

Calcular a velocidade de avano, fora de

avano, energia cintica dissipada do cilindro

pneumtico cujas dimenses so:

Exemplo

Dp=200mm

L=150mm

M=2,5 kg

ta=1,5s

P=6bar

FatAPFau ).(

222

3144

400.14,3

4

)20.(14,3

4

.cm

DA

p

2

2 6.314cm

kgfcmFa

%10 au FF1884kgfaF 1695,6kgfuF

22

)(5,1

)(15,05,2.

2

1

)(

)(.

2

1

s

mkg

st

mLmEC

a

Jouless

mkgEC 0125,0

.0125,0

2

2

s

m

s

mm

s

mm

st

mLv

a

1,01005,1

150

)(

)(1

Calcular a energia cintica dissipada e a

velocidade do cilindro pneumtico de alto

impacto cujas dimenses so:

Exemplo

Dp=200mm

Do=40mm

L=150mm

M=2,5 kg

ta=1,5s

P=6bar

2

0)(

).(

2

1

Ast

AmLmEC

a

p

2222

01,01004

400.

4

)20.(

4

.mcm

DA

p

p

2222

0004,044

16.

4

)4.(

4

.mcm

DA oo

22

2

0004,0.5,1

01,0.15,0.5,2.

2

1

ms

mmC

2

2

3

.0,0006

0,0015.5,2.

2

1

ms

mEC

2

5,2.5,2.2

1

s

mEC

2

6,25.5,2.2

1

s

mEC

es7,8125Joul7,8125

2

s

mEC

Jouless

mkgEC 0125,0

.0125,0

2

2

cilindro pneumtico de alto impacto

cilindro pneumtico simples

sm

s

m

m

m

s

m

st

mLv

a

2,525.1,00004,0

01,0.

5,1

15,0

)(

)(2

2

2

cilindro pneumtico de alto impacto

s

m

s

mm

s

mm

st

mLv

a

1,01005,1

150

)(

)(1

cilindro pneumtico simples

Dimensionamento da haste

Em situaes em que h possibilidade de

alternncia da carga, com variaes para valores

ligeiramente maiores durante o deslocamento da

haste do atuador e que ela tenha L (comprimento)

igual ou maior que 500mm. Os fabricantes

disponibilizam dois ou mais dimetros de hastes

para atuadores a partir de 2.

Critrio de Euler

2

2 ..

JEK

K Carga de Flambagem E Mdulo de elasticidade do ao

J Momento de inrcia para seco circular (cm4)

- Comprimento livre de flambagem (cm)

22 ..

JEK

Jdh

dhJ

.64

64

. 44

E

SFaJ

JESFaK

S

KKFa

.

.....

2

2

2

2

43

2

3

22

2

4

.

...64

.

...64.

...64

E

SFa

E

SFaE

SFa

dh

Um dispositivo perfaz um deslocamento de

100cm de uma mesa, conforme a figura abaixo.

Dimensionar comercialmente o atuador

pneumtico. Considere a fora peso da mesa

150 kp e a presso de trabalho 6kp/cm2.

Exemplo

mesa

mmcm

cm

kp

kp

Pt

FpDp 699,6

6.

5,1.150.2

.

..2

2