Aula 4 - Atuadores

HIDRÁULICA E PNEUMÁTICA

Profa. Danielle Alves [email protected] IFCE – Campus Fortaleza

1. ATUADORES PNEUMÁTICOS

São os responsáveis pela transformação da energia de pressão em energia mecânica de translação (cilindros) e rotação (motores). • Atuadores pneumáticos atuadores rotativos.

incluem

cilindros

lineares

e

• São dispositivos que proporcionam força e movimento para sistemas automatizados, máquinas e processos. • O cilindro pneumático é um dispositivo simples, de baixo custo e fácil de instalar, sendo ideal para produzir força em movimento linear.

• A velocidade pode ser ajustada em uma ampla faixa. • O curso do cilindro pode ser bloqueado sem danos.

• Condições adversas são toleradas, tais como: umidade, ambientes secos e poeirentos e limpeza por jatos de água. • O diâmetro do cilindro determina a força máxima que ele pode exercer. • O curso do cilindro determina o máximo movimento linear que ele pode produzir. • A pressão máxima de trabalho depende do projeto do cilindro. Cilindros padrão VDMA trabalham com até 16 bar. • A força é controlada através de um regulador de pressão.

Tipos Os atuadores pneumáticos são fabricados em uma ampla variedade de tamanhos, estilos e tipos que incluem: • Simples ação • Dupla ação Sem amortecimento ou amortecimento fixo Amortecimento ajustável Com êmbolo magnético • Cilindros sem haste • Atuador rotativo • Cilindros de fixação • Atuador tipo fole

Simples ação - retorno por mola • O fluido executa apenas um dos movimentos, enquanto o outro se dá, geralmente, através de uma mola. Utilizam válvula direcional de 3 vias.

simples efeito

Simples ação - sem mola • A gravidade ou outras forças externas retornam a haste.

Dupla ação Cilindros de dupla ação usam ar comprimido para exercerem força em ambos os sentidos. • Controle de velocidade superior. Existem: • Modelos sem amortecedor • Modelos com amortecedor fixo • Modelos com amortecedor ajustável O fluido executa agora tanto o movimento de avanço como o de recuo do cilindro . Utilizam válvulas de controle direcional de 4 ou 5 vias.

Dupla ação - sem amortecedor • Cilindros sem amortecedor são adequados para cursos completos com baixa velocidade. • Alta velocidade com amortecimento externo.

duplo efeito

Dupla ação - amortecedor fixo • Pequenos diâmetros para serviços leves têm amortecedor fixo.

D/A amortecedor ajustável • Neste tipo de atuador podemos reduzir o choque entre o embolo e as tampas do cilindro através de amortecedores pneumáticos devidamente instalados nas câmaras dianteira e/ou traseira, reduzindo assim o ruído

Com amortecimento variável

Dupla ação magnético • Uma cinta magnética em volta do êmbolo opera um sensor tipo reed para indicar a posição do curso.

Haste dupla • Utiliza as duas extremidades da haste na execução de trabalhos, permitindo assim o uso de todo o curso do embolo, como também de ter iguais forças de avanço e recuo. Utilizam válvulas 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 alcançar diversas posições, bastando para isto que se mantenha presa a outra haste.

Duplex contínuo • Este tipo de cilindro tem como principal vantagem o fato de dispormos de dois cilindros em série, em uma mesma camisa, possibilitando assim uma maior força útil, sem aumento do diâmetro do cilindro.

Cilindros sem haste • Possui cilindro (geralmente de alumínio), uma luva de material ferroso com uma fita magnética. Tem como limitação a força da ação magnética sobre a luva, da ordem de 400 N.

sem haste

Cilindros Telescópico • É empregado quando se faz necessário um grande curso, como por exemplo em pequenos elevadores, empilhadeiras ou máquinas de terraplenagem de carga, sendo usado preferencialmente na posição vertical.

Telescópico simples efeito

Duplo efeito

Cilindro de impacto • Utilizado em pequenas prensas. Para se obter grande energia cinética, as duas câmaras são pressurizadas ao mesmo tempo, o que impede o avanço devido a diferença entre as áreas. Quando a câmara dianteira é despressurizada o êmbolo avança fazendo com que a área de atuação do ar seja a do cilindro. Com o rápido aumento da área traseira, o êmbolo é arremessado com grande velocidade (cerca de 8 m/s), o que se traduz em um forte impacto que objetiva cortar, dobrar, rebitar ou outra operação típica de uma prensa de impacto.

Atuadores Semi-Rotativos Utilizados para girar componentes, operar válvulas de controle de processos, executar movimentos de “pulso” em aplicações robóticas • Proporciona rotação de até 360º • Atuador tipo palheta • Atuador tipo pinhão e cremalheira

Atuador rotativo de palheta

Atuador rotativo - Pinhão e Cremalheira

duplo torque

Motores • São os responsáveis pela energia mecânica de rotação. Utilizados principalmente como acionadores de ferramentas manuais. Turbina, palhetas. Engrenagens, pistões radiais, pistões axiais

com um sentido de rotação fluxo fixo

com dois sentidos de rotação fluxo fixo

com um sentido de rotação fluxo variável

com dois sentidos de rotação fluxo variável

Cilindros de Fixação • Para uso em espaços confinados onde um pequeno curso é requerido. • Pequeno comprimento em relação ao diâmetro. • Geralmente usado em aplicações leves.

• A versão Simples ação é a mais usada, mas existem também de Dupla ação com haste dupla.

Retorno por mola.

Dupla ação haste dupla.

Fole

Amortecimento • O amortecimento protege o cilindro e a carga pela absorção da energia no final do curso. Este resulta numa desaceleração progressiva e em um contato suave entre o êmbolo e o cabeçote. Amortecimento fixo • Discos de material macio montados nos cabeçote absorvem o impacto do êmbolo.

Amortecimento ajustável

•• A válvula é invertida o cilindro avançar. vedaçãodirecional é empurrada para apara esquerda vedando no fundo O êmbolo êmbolo inicia o movimento acom direita aarestrição O parafuso édo ajustado para para a esquerda proporcionar alta umsem velocidade. contato suave •••doA vedaçãose amortecedor épara empurrada para direita. alojamento emove pelo diâmetro interno. do ajuste. • O do Aparafuso êmbolo exaustão e de da do carga ar é dada com opelo cabeçote. centro da Canais direito e o pelo lado externo da vedação ar do só lado pode escapar parafuso devedação. ajuste. Apermitem pressão acresce livre passagem dooar. e amortece êmbolo.

Dimensionamento do cilindro Consumo de ar

Cilindro de simples efeito

Csf 

A.L.N c .Rc

A.L.Rc Csf  T

Pt  Patm Rc  Patm

C – consumo de ar em litros/min; A – área do cilindro em cm2; L – curso do pistão em cm; Nc – número de ciclos/min Rc – razão de compressão T – tempo para um único ciclo em segundos Pt – pressão de trabalho

Patm – pressão atmosférica

Cilindro de duplo efeito

Cdf 

( A  a).L.N c .Rc

( A  a).L.Rc Csf  T

C – consumo de ar em litros/min; A – área do cilindro em cm2; a - área da coroa circular do cilindro em cm2; L – curso do pistão em cm; Nc – número de ciclos/min Rc – razão de compressão T – tempo para um único ciclo em segundos

Cilindro de haste dupla

Chd 

(2a).L.N c .Rc

(2a).L.Rc Chd  T

C – consumo de ar em litros/min; A – área do cilindro em cm2; a - área da coroa circular do cilindro em cm2; L – curso do pistão em cm; Nc – número de ciclos/min Rc – razão de compressão T – tempo para um único ciclo em segundos

Exemplo

Calcular o consumo e o fluxo de ar para um cilindro de simples ação com 100mm de diâmetro e 1m de curso. Sabe-se que a pressão de trabalho é 6 bar e o número e tempo de ciclo é 1/8 ciclos por segundo.

Csf  A.L.Nc .Rc cm 3 407415 dm3 Csf  407415  min 1000 min Csf 

 (10cm) 2 4

.100cm.

1 ciclos  6bar  1,013  .  8 segundos  1,013 

ciclos 3 Csf  7850cm .7,5 .6,92 min

dm3 litros Csf  407,415  6,8 min segundos

A.L.Rc Csf  T

 (10) Csf 

4

2

.100.6,92 8s

7850cm 3 .6,92 Csf  8s

cm 3 6790,25 3 54322cm s Csf   8s 1000 2 78,5cm .100cm.6,92 litros Csf  Csf  6,8 8s segundos

Exercício

Qual o consumo de ar de um cilindro de dupla ação com diâmetro de 50 mm, diâmetro da haste de 12 mm e 100 mm de curso? O cilindro faz 10 ciclos / min. A pressão de trabalho é de 6 bar.

litros Csf  26,3 min

Cálculo de forças A

simples efeito

Fu  ( P. A)  Fr Fr  Fm  força _ resistente (kgf ) Fu – força útil em kgf; Fm – força da mola em kgf; P – pressão de trabalho em kgf/cm2; Fat – força de atrito em kgf; A = área do cilindro em cm2;

Fu

duplo efeito de haste simples a A

Fau  ( P. A)  Fat

ah

Fru  ( P.a)  Fat

Fu – força útil em kgf; Fm – força da mola em kgf; P – pressão de trabalho em kgf/cm2; Fat – força de atrito em kgf; A = área do cilindro em cm2; a - área da coroa circular do cilindro em cm2;

Fu

Atuador de Alto Impacto Cálculo de força Da mecânica dos fluidos, o fluxo de massa de um fluido, seja ele incompressível ou compressível, permanece sempre constante ao longo de uma tubulação pela qual escoe, independente de quaisquer variação em sua secção transversal. 



mmáx1  mmáx2 

mmáx1  .v. A

ρ – massa específica do fluido kg/m3 v – velocidade de escoamento (m/s) A – Área da secção transversal do duto (m2)

Ap

.v1. A1  .v2 . A2 A0

v1. A1  v2 . A2 v2 

v1. Ap A0

L ( m) v1  ta (s)

v2 

L(m). Ap t a ( s) A0

1  L(m). Ap  EC  m   2  ta ( s) A0  Atuador de Alto Impacto

1 EC  mv2 2

1  L ( m)  EC  m   2  ta ( s)  Atuador normal

2

2

Exemplo

Calcular a velocidade de avanço, força de avanço, energia cinética dissipada do cilindro pneumático cujas dimensões são: Dp=200mm Fau  ( P. A)  Fat L=150mm M=2,5 kg  .D p 2 3,14.(20) 2 3,14.400 2 A     314 cm ta=1,5s 4 4 4 P=6bar Fa  314cm 2 .6

Fa  1884kgf

Fu  Fa  10%

kgf cm 2

Fu  1695,6kgf

L(m) 150mm mm m v1    100  0,1 ta ( s) 1,5s s s 2

 0,15(m)  1  L(m)  1 EC  .m   .2,5kg   2  ta ( s)  2  1,5( s) 

2

kg.m EC  0,0125 2  0,0125 Joules s

2

Exemplo Calcular a energia cinética dissipada e a velocidade do cilindro pneumático de alto impacto cujas dimensões são: Dp=200mm Do=40mm L=150mm M=2,5 kg ta=1,5s P=6bar

1  L(m). Ap  EC  m   2  ta ( s) A0 

Ap  Ao 

 .Dp 2 4

 .Do 2 4

 

 .(20) 2 4

 .(4) 2 4





 .400 4

 .16 4

2

 100cm 2  0,01m 2

 4cm 2  0,0004m 2

 0,15m.0,01m 2  1 C  .2,5. 2 2 1 , 5 s . 0 , 0004 m    0,0015m  1 EC  .2,5. 2 2 0,0006 s . m   3

2

1  m EC  .2,5.2,5  2 s 

2

2

1 m EC  .2,5.6,25 2 s

2

m EC  7,8125  7,8125Joules s

cilindro pneumático de alto impacto

2

kg.m EC  0,0125 2  0,0125 Joules s

cilindro pneumático simples

2

cilindro pneumático de alto impacto

L(m) 0,15m 0,01m 2 m m v2   .  0 , 1 . 25  2,5 ta ( s) 1,5s 0,0004m 2 s s cilindro pneumático simples

v1 

L(m) 150mm mm m   100  0,1 ta ( s) 1,5s s s

Dimensionamento da haste 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 (comprimento) igual ou maior que 500mm. Os fabricantes disponibilizam dois ou mais diâmetros de hastes para atuadores a partir de 2”. Critério de Euler

 2 .E.J K 2

K – Carga de Flambagem E – Módulo de elasticidade do aço J – Momento de inércia para secção circular (cm4) λ - Comprimento livre de flambagem (cm)

 2 .E.J K 2

dh 4 . 64.J 4 J  dh  64 

K  2 .E.J Fa.S .2 Fa  K   K  Fa.S   J  2 S   2 .E 64.Fa.S .2 2 2 2 64 . Fa . S .  64 . Fa . S .  dh 4   .E  4 3   .E  3 .E

Exemplo Um dispositivo perfaz um deslocamento de 100cm de uma mesa, conforme a figura abaixo. Dimensionar comercialmente o atuador pneumático. Considere a força peso da mesa 150 kp e a pressão de trabalho 6kp/cm2. mesa

Dp  2.

Fp. 150kp.1,5  2.  6,9cm  69mm kp  .Pt  .6 2 cm