Circuitos pneumáticos e diagramas de circuitos pneumáticos – fundamentos da engenharia de fluidos

Este artigo abrange os fundamentos dos esquemas pneumáticos, circuitos pneumáticos e esquemas de circuitos pneumáticos. A pneumática é uma área de engenharia de fluidos que lida com o ar comprimido e a sua aplicação em vários sistemas. A tecnologia de controlo pneumático é utilizada em muitas indústrias e setores, tais como manuseamento de materiais, robótica ou transporte.

O que é a pneumática?

A pneumática é uma subárea de mecânica que lida com o comportamento dos gases. Em particular, é a engenharia de fluidos que utiliza ar comprimido ou sistemas operados a ar para gerar movimento e potência de acionamento.

Em sistemas de ar comprimido típicos, o ar tem uma pressão positiva de 6 bar. O nível de pressão é de até 18 bar em aplicações de alta pressão, tais como aplicações pneumáticas com requisitos de entrada de alta potência. Em casos especiais, a pressão pode chegar até 40 bar.

Existem muitas utilizações para ar comprimido que podem ser utilizadas conforme necessário. Por exemplo, pode atuar como ar ativo para transportar substâncias e materiais. Também é utilizado como ar de processo e suporta processos de secagem e outros processos. Além disso, o ar comprimido pode ser utilizado em locais potencialmente explosivos ou molhados, por exemplo, para operar motores ou semelhantes. Um exemplo de aplicação típica é uma lixadeira orbital excêntrica a ar comprimido numa cabine de pintura.

Aplicações para controlos pneumáticos

Os controlos e sistemas pneumáticos encontram uma ampla gama de aplicações em engenharia mecânica, construção de máquinas personalizadas e produção em massa. Além da sua simplicidade e fiabilidade, as vantagens dos sistemas pneumáticos também incluem tempos de resposta rápidos e implementação relativamente económica.

Exemplos típicos de aplicações de controlos pneumáticos incluem:

• Máquinas de soldadura: O controlo de cabeças de soldadura e dispositivos de fixação.
• Máquinas-ferramenta: Para fixação ou afrouxamento e para trocas de ferramentas.
• Máquinas de fundição: Para abrir ou fechar moldes e remover moldes – por exemplo, em máquinas de moldagem por injeção.
• Transportadores e guindastes: Para mover, levantar e posicionar materiais.
• Máquinas de impressão e papel: Para controlar os processos de impressão e o posicionamento do papel.

Quais são os benefícios dos sistemas pneumáticos?

Os sistemas pneumáticos têm inúmeras vantagens. O material utilizado, ou seja, o ar, tem um fornecimento infinito, está disponível virtualmente em qualquer lugar e pode ser transportado por longas distâncias.

• Capacidade de armazenamento: É possível armazenar ar comprimido em tanques de ar comprimido correspondentes. Estes tanques de ar comprimido também podem ser transportados.
• Resistência à temperatura: O ar comprimido não é afetado substancialmente por flutuações de temperatura. Por conseguinte, é adequado para funcionamento em condições mais extremas em comparação com fluidos, tais como fluido hidráulico.
• Compatibilidade ambiental: A fuga de ar comprimido não causa poluição ou danos.
• Simplicidade: Os componentes pneumáticos são fáceis de montar. Podem alterar ou controlar as velocidades e as forças dos cilindros de forma continuamente ajustável.
• Alta velocidade: O ar comprimido é um meio de processo rápido, permitindo assim que sejam alcançadas velocidades relativamente altas e tempos de comutação curtos.
• Portabilidade: O ar comprimido pode ser facilmente transportado em linhas de longa distância. Por conseguinte, o ar comprimido só precisa de ser condicionado.
• Proteção contra sobrecarga: Os circuitos e elementos pneumáticos podem absorver cargas mesmo em repouso e, portanto, são à prova de sobrecarga contra picos de ar comprimido.

Vários processos mecânicos podem ser operados de forma eficiente usando ar comprimido como fonte de alimentação, tornando-o uma alternativa económica a outros sistemas de alimentação.

Princípios de design e funcionamento dos controlos pneumáticos

O ar comprimido é fornecido para o local desejado usando válvulas. A energia armazenada no ar comprimido é utilizada para gerar energia de movimento. Um exemplo disso é o uso de ar comprimido para controlar um pistão do cilindro numa direção específica.

Cada sistema de controlo pneumático consiste basicamente nos seguintes subcomponentes:

• Geração de ar comprimido (compressores)
• Ar condicionado comprimido (filtro pneumático / filtro de ar)
• Acumulador de ar comprimido (depósito de ar)
• Regulação do ar comprimido (regulador de pressão)
• Válvulas principais (válvulas de passagem)
• Elementos do processo (cilindros)
• Sensores e interruptores (válvulas solenóides, botões de pressão)
• Mangueiras e acessórios

Geração de ar comprimido em controlos pneumáticos

Um ou mais compressores são utilizados para gerar a pressão de processo necessária. Aspiram e comprimem o ar conforme necessário para uma pressão entre 6 e 40 bar.

Os processos mecânicos e termodinâmicos utilizados para comprimir o ar geram uma grande quantidade de calor que deve ser evacuada do ar comprimido. O ar comprimido é, portanto, encaminhado através de um refrigerador de ar para baixar a temperatura.

Ar condicionado comprimido

No entanto, o arrefecimento do ar também reduz a capacidade de o ar absorver água. À medida que o ar arrefece, liberta frequentemente água, o que pode danificar o sistema. O ar é passado através de um secador de ar para evitar isto. Existem vários tipos de secadores a ar, como secadores de refrigeração e de absorção, que removem a humidade do ar. É igualmente importante remover contaminantes do ar comprimido para garantir uma qualidade de ar comprimido ideal e uma vida útil longa dos sistemas de ar comprimido. Isto é conseguido passando o ar através dos filtros para remover contaminantes, tais como poeira, partículas e óleo. No entanto, como o óleo é necessário para lubrificar inversores, o ar comprimido é enriquecido com óleo usando lubrificadores especializados.

Armazenar ar comprimido

O ar condicionado é armazenado em tanques de ar comprimido. Estes tanques compensam simultaneamente as flutuações de pressão quando o ar comprimido é removido do sistema. O acumulador de ar é reabastecido quando a pressão cai abaixo de um determinado valor.

Regulação e distribuição de ar comprimido

A pressão de ar é ajustada com um regulador de pressão antes do ar comprimido ser utilizado no circuito pneumático. O ar é então distribuído no sistema através de uma rede de tubagens e mangueiras. O sistema de ar comprimido deve ser planeado tendo em conta vários requisitos, tais como o diâmetro das linhas. Quanto menor for o diâmetro de um tubo, maior será a resistência do fluxo. O diâmetro deve ser selecionado de forma a que as resistências de fluxo permaneçam o mais baixas possível.

As fugas são mais um risco nos sistemas de ar comprimido. Estes são comuns em uniões ou coletores. Tais fugas levam a uma perda contínua de ar comprimido, resultando num aumento do consumo de energia e na redução do desempenho do sistema. Além de tais perdas diretas, o sistema também pode apresentar perdas indiretas. Compressores de grandes dimensões, linhas excessivamente restritivas ou excessivamente longas, colocação desfavorável do tanque – tudo isso leva à degradação do desempenho e ineficiências no sistema. O planeamento intencional da distribuição de ar comprimido é, portanto, uma condição para otimizar o sistema de ar comprimido para durabilidade e desempenho.

Movimento e transmissão de potência

Vários componentes em circuitos pneumáticos trabalham juntos para criar movimento e transferir força. As válvulas controlam a direção, a pressão e o fluxo de ar comprimido. As transmissões pneumáticas, tais como cilindros ou motores pneumáticos, realizam o trabalho real num circuito pneumático. Convertem a energia contida no ar comprimido em movimento mecânico. O ar comprimido move o pistão dentro do cilindro, transferindo a força, geralmente numa direção linear.

O trabalho mecânico é realizado por elementos de trabalho especializados, que vêm principalmente sob a forma de cilindros pneumáticos – por exemplo, como pinças pneumáticas.

Os transportadores industriais movem ou transportam material para vários destinos em chãos de fábrica ou armazéns. Os transportadores pneumáticos utilizam ar comprimido para transportar materiais ou componentes, tais como grânulos, pós ou materiais a granel através de tubagens para posterior processamento ou eliminação. Estes sistemas são utilizados em diferentes fases de produção, uma vez que simplificam e facilitam o manuseamento de materiais.

Estrutura geral de um diagrama de circuito pneumático

Os diagramas de circuito pneumático são representações gráficas dos controlos pneumáticos. Mostram a função e a ligação dos componentes individuais de um sistema pneumático.

Os diagramas de circuito pneumático incluem elementos de alimentação, atuadores e elementos de processo. Os elementos de fornecimento são responsáveis pelo fornecimento de ar comprimido e pelo processamento, armazenamento e distribuição de ar comprimido. Atuadores são os elementos de controlo num diagrama de circuito pneumático. Estes incluem, por exemplo, válvulas direcionais, válvulas de pressão ou válvulas de retenção. Determinam o fluxo e a direção do ar comprimido. Os elementos do processo são os componentes que realizam o trabalho físico no circuito. Convertem a energia armazenada no ar comprimido em movimento mecânico. Cilindros, motores ou atuadores são elementos de processo.

Em geral, os circuitos estão dispostos de modo que a energia flua de baixo para cima, isto é, da fonte de alimentação da fonte de ar comprimido para o elemento de processo. A fonte de ar comprimido é, portanto, o primeiro elemento ou o elemento mais baixo e o elemento de potência é o elemento mais alto ou o último.

Exemplo de aplicação com diagrama de circuito pneumático

O exemplo de aplicação prática seguinte mostra uma haste de pistão a ser estendida (posição totalmente expandida) e retraída após um período de tempo definido (posição inicial). Por motivos de segurança, os profissionais normalmente usam 2 botões manuais para evitar a expansão não intencional do pistão.

A aplicação consiste basicamente nos seguintes componentes:

• 1 x cilindro pneumático de dupla ação com haste de pistão (1 A)
• 2 botões de pressão manuais com válvulas de controlo direcional (1S1 e 1S2)
• 1 x acumulador com válvula de atraso de tempo (1V3) com válvula de aceleração
• 1 x válvula de pressão dupla (1V1)
• 1 x válvula de vaivém (1V2)
• Válvulas de impulso e válvulas direcionais

• A válvula de pressão dupla 1V1 funciona como um circuito lógico "E": o ar comprimido só pode passar para a válvula de impulso 1V4 se ambos os botões manuais 1S1 e 1S2 forem acionados simultaneamente.
• A válvula de pulso 1V4 é energizada pelo ar de entrada e é pressurizada com ar comprimido.
• A válvula de pulso 1V4 energiza a válvula de controlo direcional 1V5.
• Devido à posição de deslocamento da válvula de controlo direcional 1V5, o ar comprimido entra agora no cilindro pneumático de dupla ação 1 A e permite que a haste do pistão se estenda para lá (posição totalmente implementada). Inicialmente, a haste do pistão permanece na posição totalmente expandida.

O princípio de funcionamento do circuito planeado faz com que várias coisas aconteçam ao mesmo tempo durante a acção de comutação.

• Ao acionar inicialmente os botões manuais, o ar comprimido entra simultaneamente na válvula de vaivém 1V2 – a válvula de vaivém atua simultaneamente como uma válvula anti-retorno.
• O ar comprimido enche o acumulador 1V3 – o acumulador tem uma válvula de atraso de tempo.
• Assim que o acumulador de pressão 1V3 é enchido, o ar comprimido libertado energiza a válvula de impulso 1V4, fazendo com que a válvula de controlo direcional 1V5 regresse à sua posição inicial.
• Devido à posição de mudança da válvula direcional 1V5, o ar comprimido agora entra no cilindro de ação dupla 1 A e permite que a haste do pistão retraia lá (posição inicial).
• Para estender novamente o pistão, ambos os botões manuais devem ser “libertados” e acionados novamente.

Os elementos do diagrama do circuito são rotulados de acordo com a chave de rotulagem especificada na norma DIN ISO 1219-2. Dependendo da aplicação, os símbolos contidos na norma podem ser combinados em conformidade. A visão geral seguinte mostra alguns exemplos.

Convenções de nomenclatura para válvulas direcionais

A descrição das válvulas direcionais baseia-se no número de portas, no número de posições do interruptor e no caminho do fluxo. São atribuídos dois números às válvulas direcionais. O primeiro indica quantas portas a válvula tem e o segundo número indica o número de posições do interruptor. Uma válvula de 3/2 vias, por exemplo, tem três portas e duas posições de comutador. Na prática, as válvulas direcionais 2/2, 3/2, 5/2 e 5/3 são as mais utilizadas.

Agrupamento e design de válvulas de controlo direccional

Atuadores pneumáticos (por exemplo, cilindros, etc.) são controlados por válvulas pneumáticas. A função das válvulas é controlar a direção da ação, a velocidade (através do caudal) e a força.

As válvulas direcionais são um dos elementos mais importantes dos controlos pneumáticos. São utilizados para determinar a direção do fluxo e para abrir ou bloquear o caminho para o meio. Por exemplo, são usados para acionar e controlar cilindros, válvulas ou ferramentas pneumáticas. As válvulas direcionais podem ser agrupadas de acordo com diferentes critérios:

• Por estrutura básica: Com base no seu design, distingue-se entre as válvulas do carretel do pistão e as válvulas do assento.

• Por tipo de operação: As válvulas direcionais podem ser operadas mecanicamente, manualmente, pneumaticamente ou eletricamente.

• Por número de posições: Existem válvulas monoestáveis, biestáveis, de três ou várias posições. Como o termo implica, a válvula tem uma posição estável para designs monoestáveis e duas posições estáveis para design biestável (posição inicial da válvula).

• Com base no número de portas e posições: Em termos de portas e posições, distingue-se entre válvulas de 2/2, 3/2, 3/3, 4/2, 5/2, 4/3 e 5/3

• Por posição de mudança na posição inicial: Dependendo do número de portas e posições, as válvulas direcionais de 2/2 e 3/2 são diferenciadas com base no facto de estarem abertas ou fechadas na posição inicial. As válvulas direcionais de 3/3, 4/3 e 5/3 são distinguidas em posições centrais fechadas, abertas e ventiladas.

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