Universidade Luterana do Brasil

ATUADORES HIDRÁULICOS E PNEUMÁTICOS

Canoas, 15 de Abril de 2009

Introdução

Este trabalho tem por objetivo, descrever o funcionamento, as particularidades e modelos dos principais atuadores hidráulicos e pneumáticos do mercado, bem como sua empregabilidade nos processos onde se faz necessário o uso de tais equipamentos.

Atuadores

Atuadores são equipamentos capazes de converter energia hidráulica e/ou pneumática em movimento, estão divididos principalmente em lineares e rotativos e são utilizados nas mais diversas aplicações e segmentos, como os exemplos abaixo:

-Robótica

-Máquinas para conformação de metal

-Máquinas da indústria de plásticos e borracha

-Linhas de produção de automóveis e eletrônicos, entre outros.

Os sistemas hidráulicos e pneumáticos podem ser descritos em três operações básicas:

GERAÇÃO CONTROLE ATUAÇÃO

Este estudo concentra-se na categoria final, a de atuação e aplicação de equipamentos atuadores.

Tipos de atuadores lineares

Cilindro

Transforma trabalho hidráulico ou pneumático em deslocamento mecânico linear. Um cilindro consiste de uma camisa de cilindro, de um pistão móvel e de uma haste ligada ao pistão. Os cabeçotes são presos ao cilindro por meio de roscas, prendedores, tirantes ou solda. Conforme a haste se move para dentro ou para fora, ela é guiada por embuchamentos removíveis chamados de guarnições. O lado para o qual a haste opera é chamado de lado dianteiro ou "cabeça do cilindro". O lado oposto sem haste é o lado traseiro.

Segue abaixo figura demonstrativa:

Desenho ilustrativo de um cilindro hidráulico (fonte: Parker Tecnologia Hidráulica industrial)

Tipos de cilindros mais comuns

Cilindros de ação simples - um cilindro no qual a pressão de fluido é aplicada em somente uma direção para mover o pistão.

Cilindro com retorno com mola de simples ação - um cilindro no qual uma mola recua o conjunto do pistão.

Cilindro tipo martelo de simples ação - um cilindro no qual o elemento móvel tem a mesma área da haste do pistão.

Cilindro de dupla ação - Um cilindro no qual a pressão do fluido é aplicada ao elemento móvel em qualquer uma das direções, onde a força aplicada pode ser ajustada tanto no avanço quanto no retorno.

Cilindro de haste dupla - Um cilindro com um pistão simples e uma haste ligada a cada lado, onde a força aplicada pode ser ajustada tanto no avanço quanto no retorno, em que enquanto um lado avança o outro esta em retorno.

Cilindro telescópico ou de múltiplo estágio – um cilindro com arranjo multitubular da haste, que provê um curso longo com uma camisa curta na retração, muito utilizado em operações que exijam elevação de cargas a grandes alturas, com ajuste da força no avanço e no retorno e com uma área pequena de cilindro, muito utilizado em máquinas de construção civil.

Cilindro duplex contínuo ou cilindro Tandem - consiste de dois ou mais cilindros montados em linha com pistões interligados por uma haste comum. As guarnições são montadas entre os cilindros para permitir a ação dupla de operação de cada cilindro. Um cilindro Tandem fornece uma força resultante maior quando o diâmetro do pistão é limitado, mas o seu curso não é. Neste tipo de cilindro a força pode ser considerada praticamente o dobro do que teríamos em um cilindro comum.

Cilindro duplex - consiste de dois cilindros montados em linha e com hastes múltiplas (uma para cada cilindro). As guarnições são montadas entre os cilindros para permitir dupla ação de cada cilindro. Os cilindros duplex dão uma capacidade de três posições.

Tipos de atuadores rotativos

Transformam a força hidráulica ou pneumática em força mecânica rotacional, em escala de giro contínuo tipo motor, bem como de giro em uma escala limitada de graus, como os osciladores ou em operações onde não é necessária rotação completa do componente em que a força esta sendo aplicada.

Osciladores de cremalheira e pinhão

Convertem energia hidráulica em movimento rotativo, sob um determinado número de graus.

Esse tipo de atuador rotativo fornece um torque uniforme em ambas as direções e através de todo o campo de rotação. Nesse mecanismo, a pressão do fluido acionará um pistão que está ligado à cremalheira que gira o pinhão. Unidades de cremalheira e pinhão do tipo standard podem ser encontradas em rotações de 90, 180, 360 graus ou mais. As variações dos atuadores de cremalheira e pinhão podem produzir unidades com saídas de torque de até 60 x 104 kgf.m.

Figura ilustrativa (Fonte: Parker Tecnologia Hidráulica industrial)

Osciladores de palheta (simples ou dupla)

Estes modelos são providos de máximo valor de saída de torque para um tamanho reduzido. Utilizados para uma grande variedade de aplicações industriais, são disponíveis em modelo de palheta simples, onde possui um ângulo de rotação máxima de 280°. A unidade de palheta dupla produz em dobro o torque de saída para uma mesma dimensão de carcaça e tem um giro máximo limitado a 100°.

Oscilador de palheta (Fonte: Parker Tecnologia Hidráulica industrial)

Motores Hidráulicos

De Palheta

Os motores hidráulicos transformam a energia de trabalho hidráulico em energia mecânica rotativa, que é aplicada ao objeto por meio de um eixo. Todos os motores consistem basicamente de uma carcaça com conexões de entrada e saída e de um conjunto rotativo ligado a um eixo.

(Fonte: Parker Tecnologia Hidráulica industrial)

O conjunto ilustrado é um motor do tipo palheta, que consiste de um rotor e de palhetas que podem deslocar-se para dentro e para fora nos alojamentos das palhetas, como demonstrado nas figuras acima.

O rotor do motor é montado em um centro que está deslocado do centro da carcaça. Conforme o fluido entra pela conexão de entrada, a energia de trabalho hidráulica atua em qualquer parte da palheta exposta no lado da entrada. Uma vez que a palheta superior tem maior área exposta à pressão, a força do rotor fica desbalanceada e o rotor gira. Conforme o líquido alcança a conexão de saída, onde está ocorrendo diminuição do volume, o líquido é recolocado.

De Engrenagem

Um motor de engrenagem é um motor de deslocamento positivo que consiste basicamente de uma carcaça com aberturas de entrada e de saída e um conjunto rotativo composto de duas engrenagens que recebem o fluido e fazem as engrenagens girar. Uma das engrenagens, a engrenagem motora, é ligada a um eixo que está ligado a uma carga. A outra é a engrenagem movida.

(Fonte: Parker Tecnologia Hidráulica industrial)

Tipo Gerotor

São motores de baixa velocidade e alto torque, utilizam o conceito internamente de rotor gerotor, com vantagens construtivas.

Rolos que vedam entre compartimentos no elemento de potência são ajustados entre o rotor e o anel externo. Quando selam entre os compartimentos de alta e baixa pressão, eles agem de maneira similar a uma válvula de retenção . Quanto maior a pressão, maior a vedação.

Rolos autovedados garantem alta eficiência volumétrica, resultando em menor geração de calor, menos potência perdida, particularmente em altas pressões e fluidos de baixa viscosidade. Construção sólida do eixo com engrenamento eixo- rotor causa uma baixa fadiga nos componentes, devido ao nível de contato entre os componentes. O resultado é um motor capaz de resistir às mais severas aplicações, incluindo altas cargas de choque e rápidas reversões.

O elemento de potência é um sistema de disco valvulado, permite projeto do mais compacto motor orbital até 30% menor e 52% mais leve que os outros motores.

Motor tipo gerotor (Fonte: Parker Tecnologia Hidráulica industrial)

De pistão

O motor de pistão é um motor de deslocamento positivo que desenvolve um torque de saída no seu eixo por meio da pressão hidráulica ou pneumática que age nos pistões. O conjunto rotativo de um motor de pistão consiste basicamente de placa de deslizamento, tambor de cilindro, pistões, placa retentora, mola de retenção, placa de orifício e eixo.

(Fonte: Parker Tecnologia Hidráulica industrial)

Obs.: Motores hidráulicos geralmente precisam de drenos afim de proteger as vedações e evitar danos a estrutura interna do motor.

Conceitos sobre motores hidráulicos e pneumáticos

Torque

O torque é um esforço rotativo e indica que há uma força presente a uma dada distância do eixo do motor e a unidade para medir o torque é Newton x metro, ou Nm. Para se conseguir o valor em N, basta multiplicar o peso em Kgf por 9,81. O torque nos diz onde a força está localizada em relação ao eixo do motor. Podemos definir o torque através desta expressão:

Um objeto resistivo ligado ao eixo de um motor gera um torque. Isso, naturalmente, é uma resistência que o motor deve vencer pela pressão hidráulica ou pneumática que age sobre o conjunto rotativo. Podemos definir o torque gerado pela seguinte expressão:

Velocidade do eixo

Para determinar a velocidade em que o eixo do motor gira utilizamos a seguinte expressão:

Potência

Potência pode ser definida como o trabalho realizado em uma unidade de tempo, uma máquina que faz em 5 minutos a tarefa que outra leva 10 minutos para fazer gera mais

potência que a que leva mais tempo para realizar a mesma tarefa, basicamente podemos calcular a potência(em CV) utilizando as seguintes expressões:

Para cilindros e sistemas:

Para motores:

Conclusão

Atuadores tornaram-se componentes indispensáveis nos tempos atuais, com gama de aplicação muito vasta nos mais diversos segmentos, executam atividades de movimentação com precisão e força, e cada vez mais são empregados nas atividades onde a automação dos processos se faz necessária para se ter competitividade, precisão e produtividade.

Bibliografia

- Catalogo linha geral festo 2° edição – 1996

- Manual de Hidraulica básica, Antonio Carlos Palmieri, 1979 2°edição

-Tecnologia hidráulica industrial, apostila M2001-1 BR julho 1999

-Comandos eletrohidráulicos e eletropneumáticos, Professor Luis Francisco Casteletti