CILINDROS PNEUMÁTICOS

1. CAPÍTULO 2
ELEMENTOS PNEUMÁTICO DE TRABALHO
2.1 ATUADORES PNEUMÁTICOS
Os atuadores pneumáticos convertem energia de pressão contida no ar
comprimido em trabalho mecânico (pressão e vazão em força e velocidade).
Estão divididos em dois grupos:
1. Os que produzem movimentos lineares;
2. Os que produzem movimentos rotativos.
2.1.1. LINEARES
Atuadores Lineares
Os atuadores lineares são conhecidos como cilindros ou pistões.
Um exemplo de pistão é uma seringa de injeção, daquelas comuns, à
venda em farmácias. Só que ela funciona de maneira inversa à dos atuadores
lineares. Numa seringa, você aplica uma força mecânica na haste do êmbolo. O
êmbolo, por sua vez, desloca-se segundo um movimento linear (de translação),
guiado pelas paredes do tubo da seringa, e faz com que o fluido (no caso, o
medicamento) saia sob pressão pela agulha. Ou seja, está ocorrendo uma
transformação de energia mecânica em energia de pressão do fluido.
Agora vamos inverter o funcionamento da seringa. Se injetarmos ar
pelo ponto onde a agulha é acoplada ao corpo da seringa, o êmbolo irá se
deslocar segundo um movimento linear. Estaremos, então, transformando
energia de pressão do ar em energia mecânica. Aí sim, teremos um atuador
linear.
Cilindros hidráulicos e pneumáticos têm construção muito mais
complexa do que simples seringas de injeção, pois as pressões dos fluidos e os
esforços mecânicos são muito maiores. Como esses cilindros realizam operações
repetitivas, deslocando-se ora num sentido ora em outro, devem ser projetados e
construídos de forma cuidadosa, para minimizar o desgaste de componentes e
evitar vazamento de fluidos, aumentando, assim, sua vida útil.
Cilindro Linear
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2. Os atuadores lineares são conhecidos como cilindros. As forças
desenvolvidas pelo cilindro dependem de seu diâmetro e da pressão do ar. Nos
cilindros pneumáticos não existe a possibilidade de posicionamento infinito (em
qualquer posição desejada). Os cilindros já são fabricado com o número de
posição de paradas definidas.
A figura 1, abaixo, indica a denominação das principais partes que
compõem um cilindro pneumático:
Figura 1 – Cilindro em Corte
1 – Mancal
2 – Guarnição de limpeza da haste
3 – Guarnição “U” Cup
4 – Haste
5 – Êmbolo
6 – Cabeçote traseiro
7 – Camisa
8 – Tirantes com porca parlok
9 – Tampa de fixação do mancal
10 – Válvula de controle de fluxo do amortecimento
11 – Colar do amortecedor dianteiro
12 – Cabeçote dianteiro
As funções das principais partes são:
 Êmbolo: Proporciona a força oriunda do ar sob pressão;
 Haste: Transmite a força exercida pelo êmbolo até o ponto de aplicação;
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3.  Camisa: É uma parte importante , devendo ser lisa, perfeitamente circular e
com parede de espessura adequada para não permitir deformação com o
manuseio e batidas sofridas em serviço;
 Tampas: Fecham as extremidades do cilindro, proporcionam meios de apoio
e montagem;
 Guarnições: Previnem vazamentos;
 Tirantes: São usados para manter o conjunto, prendendo as tampas.
As dimensões dos cilindros pneumáticos são normalmente da ordem de :
- Diâmetro: 6 a 320mm;
- Curso: 1mm até 2m;
- Força: 2 a 50.000N;
- Velocidade avanço: 0,02 a 1m/s .
Alguns tipos diferentes de cilindros pneumáticos estão disponíveis:
A – Cilindro de simples ação ou de simples efeito:
Devido às pequenas pressões do ar, a parede do cilindro pode ter
pequena espessura. Normalmente, o êmbolo é dotado de uma junta de material
elástico, geralmente, borracha. Sua borda aperta-se contra a parede do cilindro
por efeito do ar comprimido, de forma a produzir uma boa estanqueidade.
Características do Cilindro de Simples Efeito:
1. são acionados por ar de um lado só;
2. realizam trabalho somente em um sentido;
3. seu curso é limitado;
4. têm comprimento de até 100 mm aproximadamente;
5. empregam -se para fixar, expulsar, prensar, elevar, alimentar, etc
Recebe esta denominação porque o ar comprimido age somente de um
lado, permitindo exercer a força em um único sentido.
Este tipo de cilindro possui somente um orifício por onde o ar entra e sai
do seu interior, comandado por uma válvula.
O retorno do pistão para sua posição normal , em geral , é efetuado por
ação de mola (figura 2) ou força externa (figura 3). Quando o ar é exaurido , o
pistão (haste +êmbolo) volta para a posição inicial.
As principais características desse cilindro são:
- Posição definida mesmo sem energia;
- Força de avanço reduzida (aproximadamente 10%) devido à mola;
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4. - Maior comprimento;
- Cursos limitados;
- Baixa força de retorno (aproximadamente 10% da força de avanço)
- A mola é peça adicional de desgaste.
Tais cilindros consome menos ar comprimido que os de dupla ação,
aproximadamente a metade. Sua limitação de uso, no caso de retorno por mola,
se dá pela presença da força de reação da mola, que aumenta ao longo do curso
de avanço. Portanto deve ser utilizado para pequenos cursos, da ordem de até
100 mm. Estes cilindros são mais utilizados para fixar, posicionar e expulsar
peças.
Figura 2 e 3 –Cilindro de simples efeito com retorno por mola
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5. Figura 4 - Atuador de Simples Ação de Retorno por Mola e
Símbolo
Figura 5 - Atuador de Simples Ação com Avanço por Mola e
Símbolo
Manutenção dos atuadores em geral
Para se fazer a manutenção dos atuadores, é necessário ter em mãos os
catálogos dos fabricantes. Nesses catálogos são encontrados os parâmetros de
construção mais importantes para a manutenção, ou seja:
1. diâmetro interno do cilindro;
2. diâmetro da haste;
3. a pressão máxima;
4. a temperatura de trabalho;
5. curso mínimo e máximo;
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6. 6. dados a respeito do amortecedor;
7. tipo de fluido lubrificante a ser utilizado;
8. a força máxima no avanço;
9. a força de retorno;
10. tipos de montagem.
B – Cilindro de dupla ação
O cilindro de dupla ação utiliza o ar comprimido para produzir trabalho
em ambos os sentidos de movimento (avanço e retorno). Entretanto, o fato das
áreas efetivas de atuação da pressão serem diferentes devido a haste , a força de
retorno é inferior a força de avanço.
As principais características desse cilindro são:
- Não é possível atuação de cargas radiais sobre a haste;
- Haste de tamanho reduzido, para permitir uma suficiente elevada
força de retorno;
- Montagem simples.
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7. Figura 6 - Cilindro de Dupla Ação – a esquerda cilindro amortecido
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8. Figura 7– Cilindro de dupla ação
Figura 8 – Cilindro sem amortecimento
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Figura 8 – Cilindro sem amortecimento

9. Figura 9 – Cilindro com amortecimento
Figura 10 – Cilindro com amortecimento e magnético
Os cilindros de dupla ação realizam trabalhos recebendo o ar ar
comprimido em ambos os lados. Desta forma realizam trabalho tanto no
movimento de avanço como no movimento de retorno. Um sistema de comando
adequado permite ao ar comprimido atingir uma câmara de cada vez, exaurindo
o ar retido na câmara oposta. Assim quando o ar comprimido atinge a câmara
traseira estará em escape a câmara dianteira e o cilindro avançará. No
movimento de retorno o ar comprimido chega a câmara dianteira e a câmara
traseira estará em escape.
Com não há presença de mola, as limitações impostas ao cilindro de
dupla ação estão ligadas as deformações da haste pela flexão e flambagem.
Quando os cilindros de dupla ação movimentam cargas pesadas a grande
velocidade sofre grandes impactos especialmente entre o embolo e as tampas,
esses impactos, na maioria das vezes, danifica o cilindro causando vazamento e
reduzindo o rendimento e a vida útil do cilindro de dupla ação. Para evitar tais
danos é necessário amortecer o movimento no fim de seu curso. O embolo de
amortecimento interrompe o escape direto do ar, deixando somente uma
pequena passagem geralmente regulável. Diminuindo o escape de ar
comprimido, cria-se uma sobrepressão que, para vencer essa sobrepressão
energia é consumida, resultando em uma perda de velocidade no fim de curso.
Os cilindros de dupla ação podem ser utilizados nas seguintes aplicações:
Fixar, usinar, aproximar, selecionar, juntar, conformar, prensar, estampar,
dobrar, vibrar, abrir e fechar garras de robôs, levantar, abaixar etc.
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10. 2.2 ROTATIVOS
2.2.1 Cilindro Rotativos
Neste tipo de cilindro, a haste do êmbolo tem um perfil dentado que
aciona uma engrenagem, transformando o movimento linear em rotativo, à
esquerda ou à direita, conforme o sentido do êmbolo. Estes cilindros são
fabricados para executarem cuesos definidos, ou seja, ângulos exatos, como por
exemplo: 90°, 180°, 270° etc.
Figura 11 – Cilindro Rotativo
2.2.2 Atuadores Rotativos
Os atuadores rotativos são normalmente chamados de motores.
Os motores pneumáticos são preferidos para instalações em ambientes
úmidos, corrosivos, quentes, ácidos, explosivos, com predominância de pó, etc.
Os principais tipos são:
A) Motores de palhetas, mais usados, graças à construção mais simples e
pequeno peso.
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11. B) Motores de pistão, mais complexos e caros, para potência maiores.
C) Motores de turbinas, para rotações muita alta e baixa potência.
D) Motores de engrenagens, de construção simples, mais baratos, porém de
rendimento menor que o dos motores de palhetas.
B – Motor de palhetas
Na alimentação, o ar comprimido é admitido pela tampa traseira do
cilindro, sendo dirigido para o interior deste. A câmara do cilindro é limitada
pelas faces do rotor e pelas tampas.
O torque é desenvolvido pela expansão que sofre o ar comprimido,
exercendo pressão contra a superfície das palhetas, que deslizam nas ranhuras
do rotor acoplado ao eixo de transmissão. Com a expansão o rotor é obrigado a
girar. Ao adquirir velocidade, as palhetas são mantidas encostadas contra a
parede interna do cilindro pela ação de força centrífuga, criando sucessivas
câmaras onde o ar atua. Chegando a um certo ponto da revolução, o ar é
exaurido para a atmosfera e as palhetas são forçadas a voltar para o interior da
ranhura do rotor.
As principais características desses motores são:
- Possibilidade de rotação à direita, à esquerda ou operação
reversível;
- As perdas por vazamento são inevitáveis, por isso o rendimento é
limitado;
- Reduzidos custos de manutenção, boa confiabilidade;
- Deve ser lubrificado.
A faixa de potência de trabalho vai de 50w até 20Kw, e a faixa de rotação é
de 200 até 80.000 rpm.
Podem ser utilizados em ferramentas pneumáticas, aparelhos de
elevação, agitadores, máquinas especiais entre outras.
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12. Figura 12 – Motor de palhetas
B – Motores de Pistão
Podem ser de dois tipos:
- Pistões Axiais;
- Pistões Radiais.
`=> Motores de pistões axiais
Esse tipo de motor possui de 5 a 7 pistões, dispostos axialmente no
interior de um bloco de cilindro, unidos a uma placa oscilante e a um eixo
ranhurado que liga todo o conjunto com um sistema planetário de
engrenamento.
O ar comprimido admitido atua nas extremidades dos pistões que
possuem movimento alternativo no interior do bloco de cilindros.
A pressão atuante nos pistões faz com que estes reajam contra a placa
oscilante, provocando rotação em todo o conjunto (bloco, placa oscilante e eixo
ranhurado). Este conjunto transmite para o engrenamento planetário,
transferindo um maior torque ao eixo de transmissão.
=> Motores de pistões radiais
Figura 13 - Motor de pistão
C – Motor de Turbina
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13. Formado por uma pequena turbina que utiliza toda a energia cinética
transmitida pelo ar comprimido.
A potência é obtida pelo aproveitamento da velocidade de circulação do
ar. Sua gama de rotação é muito alta chegando a atingir de 250.000 a 400.000
rpm. Devido à alta velocidade, é difícil o ajustamento com as velocidades
encontradas, por esta razão é geralmente empregado é geralmente empregado
em trabalhos leves com equipamentos odontológicos e retíficas com altas
velocidades.
Figura 14 – Motor de turbina
D – Motor Pneumático de Engrenagem
Basicamente é constituído por um par de rodas dentadas e engrenadas,
uma ligada ao eixo motor e a outra apoiada nos mancais internos.
O momento de torção é gerado quando o ar comprimido atua sobre os
flancos do dentes, forçando a rotação das engrenagens que podem ser de dentes
retos ou helicoidais. Entre ambos existe pequena diferença:
- Dentes retos – não permitem expansão do ar;
- Dentes helicoidais – permitem expansão do ar.
O momento de torção dos dois tipos permanece constante, porém o
sistema
helicoidal é mais silencioso.
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14. Tais motores trabalham numa faixa de potência de até 70 Kw e numa
faixa de rotação de 1000 a 3000 rpm.
Podem ser utilizados em acionamento de transportadores e bobinadeiras,
bombas, torres giratórias, etc .
Figura 15 – Motor de engrenagens
2.3. A PNEUMÁTICA NA AUTOMAÇÃO
As aplicações dos sistemas pneumáticos na automação abragem
praticamente todas as atividades industriais conhecidas. Desde os simples
mecanismos criados para a substituição de tarefas manuais, repetitivas e
enfadonhas, melhorando a produtividade do processo e a qualidade do produto,
até os sistemas de manipulação e robôs, nas modernas células flexíveis de
manufatura, todos tem encontrado boas soluções na pneumática.
A transição do trabalho manual para a produção plenamente
automatizada, quer seja em empresas grandes, médias, ou pequenas, ocorre, na
maioria das vezes através da Automação de Baixo Custo. Neste contexto a
pneumática tem ampla contribuição a dar. Dessas, destacam-se a mecanização
de tarefas manuais, a automatização ou semi-automatização de máquinas
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15. simples dos mais diversos tipos, a modernização de máquinas ferramentas e a
construção de dispositivos que executam automaticamente sequências de tarefas
simples ou mais complexas.
As características que irão justificar o uso da pneumática em uma aplicação são:
1. Grande velocidade – o que permite obter dispositivos de montagem
automática com alta repetibilidade. No entanto as forças aplicadas são
limitadas;
2. Meio limpo – é utilizada, por exemplo, na indústria têxtil e alimentícia, onde
não pode haver contaminação durante o processamento;
3. Não sensível as variações de temperatura – alta confiabilidade;
4. Custo relativamente baixo e fácil manutenção.
A seguir são listadas várias tarefas, executadas por dispositivos
pneumáticos, as quais, isolada ou combinadamente, constituem importantes
ferramentas para a automatização de processos industriais.
Figura 16 – Manipulador de peças de cinco eixos, com elementos
pneumáticos
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16. Figura 17 – Encaixotamento ordenado, com atuadores lineares e
garras pneumáticas
Figura 18 – Furação automática de pequenas peças
Figura 19 – Colocação rápida de frascos em pacotes
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17. Figura 20 – Alguns exemplos de automação
As modernas exigências de flexibilidade na programação de posições e de
velocidades, exigidas nas máquinas CNC e nas células flexíveis de manufatura
podem ser também atendidas combinando-se os comandos binários da
pneumática tradicional com os acionamentos servopneumáticos ou da
pneumática proporcional, que são muito rápidos, possuem boa precisão de
posicionamento além das vantagens próprias dos componentes pneumáticos,
quais sejam, construção modular e compacta, durabilidade, e flexibilidade de
usos. As operações de manipulação de ferramentas, matéria prima e de peças
acabadas ou semiacabadas são perfeitamente realizadas com os atuadores
pneumáticos, inclusive na forma de robos pneumáticos. Em máquinas CNC para
pequenos esforços, como por exemplo na indústria moveleira, a própria
usinagem também é feita com acionamentos servopneumáticos.
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18. Figura 21 - Esquema , diagrama de passo e circuito de um
dispositivo de fresagem.
2.4 ATUADORES HIDRÁULICOS
Os atuadores hidráulicos convertem a energia contida no fluido
hidráulico em trabalho mecânico. Podem ser lineares ou rotativos.
2.4.1. LINEARES
Os cilindros hidráulicos seguem a mesma classificação dos cilindros
pneumáticos, apresentando no entanto parâmetros diferentes destes. Os
cilindros hidráulicos desenvolvem maior força, mas com velocidades menores.
A – Cilindro de simples ação
Neste cilindro a força age em uma única direção. O retorno é feito por
mola ou por aplicação de força externa. Seu funcionamento é o mesmo do
cilindro de simples ação pneumático.
B – Cilindro de dupla ação
No cilindro de dupla ação hidráulico o fluido hidráulico age dos dois
lados do êmbolo, permitindo atuação de força tanto no avanço como no retorno.
A força no retorno é menor que a de avanço devido a área da haste. Seu
funcionamento é idêntico ao cilindro de dupla ação pneumático.
2.4.2 .ROTATIVOS
Os atuadores rotativos são os motores. Neles o fluido hidráulico
“empurra” o motor desenvolvendo torque e movimento rotativo contínuo.
Como ambos os pórticos dos motores podem, as vezes, ser pressurizados (bi-
direcionais), a maioria dos motores hidráulicos é drenado externamente.
Os motores hidráulicos são caracterizados de acordo com o deslocamento
(quantidade de fluido que o motor aceitará por revolução), torque e limite de
pressão máxima.
Os principais tipos de motores hidráulicos são:
A – Motor de engrenagens
Seu funcionamento é o mesmo do motor de engrenagens pneumático,
utilizando no entanto, fluido hidráulico na realização do movimento.
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19. São limitados à pressões de operação de até 140 bar.
B – Motor de palhetas
Num motor de palhetas, o torque se desenvolve pela pressão nas
superfícies expostas das palhetas retangulares, que deslizam nas ranhuras de
um rotor acoplado ao eixo.
Existe ainda o motor de palhetas balanceado que devido à sua construção,
permite o balanceamento das cargas laterais.
C – Motor de pistões
=> Radiais: Apresentam os pistões dispostos radialmente. Trabalham com
altas vazões e altas pressões.
=>Axiais: Apresentam os pistões em linha. A transmissão do movimento
pode ocorrer utilizando placa inclinada ou eixo inclinado.
Os motores de pistões são os mais eficientes e geralmente tem capacidade
tanto para altas velocidades, como para altas pressões. Devido à favorável
proporção de alta força e baixo peso, esses motores são os mais usados em
aplicações aero-espaciais.
Os motores de pistão em linha (axiais) estão sendo cada vez mais
utilizados em aplicações de máquinas-ferramenta assim como em equipamento
móbil.
2.5 A HIDRÁULICA NA AUTOMAÇÃO
O ar comprimido é compressível o que torna difícil realizar
posicionamento exato utilizando sistemas pneumáticos. Além disto, as forças
desenvolvidas na pneumática são limitadas.
Assim quando deseja-se realizar automação de processos e máquinas que
exijam altas forças ou posicionamento exato recorre-se a hidráulica. Como
exemplos podemos citar: máquinas injetoras, prensas, máquinas para cunhagem
e furação, tornos automáticos,
máquinas operatrizes com avanço rápido e trabalho lento, etc.
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20. 2.6 BOMBAS E VÁLVULAS COMO ATUADORES EM PROCESSOS
INDUSTRIAIS
As válvulas utilizadas em processos industriais podem ser de 4 tipos:
 De bloqueio: São as que trabalham em condições de abertura ou
fechamento total das passagens do fluido, bem como em posições
intermediárias de abertura, fixadas através de comando externo. Sua
operação pode ocorrer manualmente ou por dispositivos mecânicos,
elétricos, pneumáticos, hidráulicos ou combinados. Alguns exemplos
são:
- Válvulas borboleta – O princípio de funcionamento constitui-se na
rotação de um disco, em torno de um eixo perpendicular à direção
de escoamento do fluido. São leves, compactas, com capacidade
para grandes vazões de líquidos ou gases. São adaptáveis a
comando remoto;
- Válvulas esfera – Utilizada para bloqueio em linhas de uso geral, é
caracterizada pela forma esférica do elemento de vedação. Oferece
ótima estanqueidade, mesmo em alta pressão. Têm acionamento
rápido.
- Válvulas gaveta – Sua principal característica é a baixa perda de
carga quando aberta. São empregadas em processos onde não há
frequentes aberturas e fechamentos. Têm acionamento lento.
- Válvula solenóide – Combinação de um solenóide
(eletromagnético) com seu núcleo e uma válvula contendo um
orifício no qual um disco de vedação é posicionado para
interromper ou permitir a passagem de fluido. A válvula é aberta
ou fechada pelo movimento do núcleo magnético
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21.  De controle: Apresentam capacidade inerente para a modulação de
características do fluxo, como vazão, pressão e temperatura, sem
intervenção manual. Um exemplo:
- Válvulas de controle – Regulam a vazão de um fluido ( líquido, gás
ou vapor), por meio do posicionamento relativo de uma peça
móvel, que obtura a área livre de passagem do fluido; o
deslocamento da peça móvel é promovido por um atuador em
resposta a um sinal externo de comando, permitindo abrir, fechar
ou manter em qualquer posição de seu curso, proporcionalmente
ao sinal de comando.
 Auto-operadas: Apresentam o elemento sensor integrado
internamente ao corpo da válvula. Alguns exemplos são:
- Válvulas termostáticas – Destinam-se a medir, comparar e
controlar a temperatura de processos, nos valores pré-ajustados.
São compostas de um sensor primário de temperatura (bulbo
termostático), o atuador térmico e o elemento final de controle
(válvula).
- Válvulas reguladoras de pressão – Mantêm a pressão a jusante da
válvula constante .
- Válvulas de alívio e segurança – Utilizada para proteger
equipamentos, evita o aumento da pressão além de um certo
limite. Ela utiliza a energia do próprio fluido para sua operação.
Operam com vapor/gás e líquido.
 Combinadas: São as que devido à sua forma construtiva, podem
apresentar, durante seu funcionamento, características de mais de um
grupo. Como exemplo pode-se citar a válvula de controle de fluxo
com retenção incorporada.
Existe uma grande variedade de bombas que podem ser utilizadas em
processos
industriais. Algumas delas são:
- Bombas Centrífugas Horizontais – São indicadas para
bombeamento de líquidos limpos ou turvos e encontra aplicação
preferencial em abastecimentos de água, na circulação de
condensados, óleos térmicos etc.
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22. - Bombas Químicas – São bombas centrífugas especiais para
bombeamento de produtos agressivos, orgânicos e inorgânicos, nas
indústrias químicas e petroquímicas, em circuitos auxiliares de
refinarias, nas indústrias de papel e celulose, açúcar e álcool,
alimentícias, fibras sintéticas, etc.
- Bomba de Processo – Indicada para instalações de refinarias,
químicas e petroquímicas, na indústria de borracha e sintéticos,
alimentação de caldeiras, circulação de água, etc.
- Bomba Centrífuga Vertical com Rotor Tubular KVP– É apropriada
para indústria química, alimentícia, bebidas, refinarias de petróleo,
siderúrgicas, etc
CAPÍTULO 2................................................................................................................................................21
ELEMENTOS PNEUMÁTICO DE TRABALHO.......................................................................................21
2.1ATUADORES PNEUMÁTICOS............................................................................................................21
2.1.1. LINEARES......................................................................................................................................21
2.2 ROTATIVOS......................................................................................................................................30
2.2.1 Cilindro Rotativos...........................................................................................................................30
2.2.2Atuadores Rotativos..........................................................................................................................30
2.3. A PNEUMÁTICA NA AUTOMAÇÃO............................................................................................34
2.4 ATUADORES HIDRÁULICOS............................................................................................................38
2.4.1. LINEARES......................................................................................................................................38
2.4.2 .ROTATIVOS..................................................................................................................................38
2.5 A HIDRÁULICA NA AUTOMAÇÃO ..............................................................................................39
2.6 BOMBAS E VÁLVULAS COMO ATUADORES EM PROCESSOS INDUSTRIAIS.......................40
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