Sistemas Hidraulicos e Pneumáticos

Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos para Automação e Controle Princípios Gerais da Hidráulica e Pneumática Alexandre Oliveira de Sá e Antônio Carlos dos Santos Junior Janeiro de 2025 PARTE I PRINCÍPIOS GERAIS DA HIDRÁULICA E PNEUMÁTICA 1 Introdução Por sua natureza os sistemas hidráulicos e pneumáticos constituemse em uma forma concreta de aplicação dos princípios da mecânica dos fluidos compressível e incompressível a qual embasa o desenvolvimento de componentes e circuitos Por outro lado os conceitos de automação e controle estão intimamente relacionados com a hidráulica e pneumática pois esta área da tecnologia possui dispositivos para atuação mecânica rotacional e translacional para uma vasta gama de forças torques velocidades e rotações O estudo da automação e controle engloba diversas áreas como lógica Booleana Teoria de controle metrologia e mecatrônica Assim sendo conforme será visto de maneira introdutória no decorrer deste trabalho a efetiva compreensão desta área implica em mesclar estas várias disciplinas enfatizando alguns aspectos para o domínio da hidráulica e outros mais para a pneumática 2 Contexto da Hidráulica e Pneumática 21 Tecnologias para ação mecânica As máquinas e processos são projetados e construídos para cumprir objetivos variados como produção de peças embalagem de produtos preparação de substâncias transporte entre estações de trabalho etc Essencialmente estes objetivos são alcançados principalmente por meio de ações mecânicas que produzem movimentos lineares ou rotativos A aplicação intensa da hidráulica na indústria são as máquinas injetoras onde existem várias atuações tanto para o fechamento e abertura do molde quanto para a injeção da matéria prima O momento exato da atuação ou a forma como essa deve ocorrer lentamente em rampa com um determinado erro máximo etc deve ser controlada Para tal deve ser permitido o comando por parte do operador com um esforço mínimo e de forma bastante facilitada O meio mais confortável para ação do operador atualmente é através de chaves botões teclados toques em telas etc onde a ação do operador fornecerá um sinal elétrico que será transmitido para dispositivos adequados Do conjunto de princípios de atuação apresentados acima elétricos mecânicos hidráulicos e pneumáticos com os meios mecânicos encontrase maior dificuldade em interface com sinais elétricos de comando Com motores e acionamentos lineares elétricos é evidente a facilidade de recepção de sinais elétricos Os atuadores hidráulicos e pneumáticos são comandados por meio de válvulas que podem ser eletrohidráulicas ou eletropneumáticas possibilitando portanto o interfaceamento com sinais elétricos vindos de botões ou mesmo de CLPs Controladores Lógicos Programáveis 22 Sistemas de automação e controle Todos os exemplos de máquinas equipamentos e circuitos veiculares apresentados na seção anterior são conhecidos como sistemas de automação eou sistemas de controle Ou seja a existência de automação ou controle implica no emprego de dispositivos Assim para uma melhor compreensão da área de hidráulica e pneumática é importante o entendimento acerca dos termos sistema de automação e sistema de controle Sistema de Automação Empregase esta denominação quando se interpreta que um conjunto de componentes interconectados tem como função principal a realização de uma ou mais ações segundo uma lógica prédeterminada e em resposta à ocorrência de eventos As ações podem ser o avanço ou recuo de um cilindro o acionamento ou não de uma ventosa o acionamento ou parada de um motor elétrico pneumático ou hidráulico Os eventos correspondem a sinais decorrentes do término de uma tarefa ou à mudança do estado de um dispositivo caracterizandose por serem abruptos e instantâneos Como exemplos de eventos podese citar o acionamento de botões pelo operador o fechamento de contatos em chaves fimdecurso de cilindros e a detecção de presença de peças em um magazine Sistema de Controle Esta denominação é empregada quando se interpreta que um determinado conjunto de componentes interconectados tem como função principal a realização de uma ou mais ações que são observadas ao longo do tempo e cuja modificação decorre da aplicação de sinais de entrada Estas ações podem ser o controle ou regulagem de posição velocidade ou força em um cilindro ou de vazão ou pressão em um circuito O comportamento destas variáveis é observado no tempo isto é estáse interessado em verificar por exemplo em quanto tempo uma posição é alcançada ou qual a magnitude das oscilações e picos de pressão que estão ocorrendo no circuito 3 Princípios físicos fundamentais 31 Fluidos hidráulicos e pneumáticos Hidráulica e Pneumática é a tecnologia associada com a geração controle e transmissão de potência empregando fluidos pressurizados A diversidade de campos de aplicação da hidráulica e pneumática incluindo por exemplo direções e freios de automóveis acionamentos em máquinas ferramentas controles de aeronaves alimentação de processos lançamento de veículos espaciais máquinas colheitadeiras mineração equipamentos odontológicos etc demonstra que é quase impossível encontrar um produto manufaturado que não tenha sido afetado por esta tecnologia em algum estágio de sua produção ou distribuição Um fluido é uma substância que se deforma continuamente sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento não importando quão pequena possa ser esta tensão Uma força de cisalhamento é a componente tangencial da força que age sobre a superfície e dividida pela área da superfície dá origem à tensão de cisalhamento média sobre a área De acordo com os estados físicos da matéria os fluidos compreendem as fases líquida e gasosa A distinção de um fluido e os demais estados possíveis da matéria tornase clara quando comparado um fluido segundo a definição acima com o comportamento de um sólido Um sólido é uma substância que se deforma quando a tensão de cisalhamento é aplicada mas não continua a se deformar Uma substância plástica p ex parafina não pode preencher a definição de fluido porque a mesma tem uma tensão de cisalhamento inicial que deve ser superada para depois se ter uma deformação contínua Uma substância elástica colocada entre duas placas sofreria uma determinada deformação proporcional à força mas não continuamente em velocidade finita Colocando areia entre as duas placas o atrito seco iria requerer uma força finita para causar um movimento contínuo assim a areia não satisfaz a definição de fluido Outra característica importante dos fluidos diz respeito à compressibilidade Observase que alguns fluidos sofrem pequena variação da massa específica mesmo com grandes variações de pressão sendo tratados como incompressíveis Estes fluidos apresentamse permanentemente no estado líquido Quando não se pode considerar a massa específica constante como em um gás o fluido é denominado compressível Quando se estudam os sistemas pneumáticos que utilizam ar comprimido o fluido é tratado como nãoviscoso isto é não é requerido nenhum esforço para movimentar uma placa em relação à outra independentemente da velocidade desta placa Por sua vez é fundamental incluir o efeito da compressibilidade para o dimensionamento das válvulas cilindros e motores Por sua vez os sistemas hidráulicos empregam líquidos como óleos minerais fluidos à base de água e fluidos sintéticos tratados como viscosos e na maioria das vezes como incompressíveis É importante destacar que o dimensionamento estático de sistemas hidráulicos é conduzido considerandose o fluido incompressível porém nas aplicações que envolvem controle proporcional ou servo o efeito da variação da massa específica com a pressão é crucial para o projeto e entendimento destes sistemas 32 Princípio de Pascal O funcionamento dos sistemas hidráulicos e pneumáticos é determinado fundamentalmente pelas leis que regem o comportamento de fluidos confinados tanto em repouso quanto em movimento constante ou variável A base para a transmissão de energia através de fluidos é o Princípio de Pascal Blaise Pascal o qual estabelece que se uma força externa for aplicada sobre uma parcela de área de um fluido confinado a pressão decorrente será transmitida integralmente a todo o fluido e à área do recipiente que o contém SISTEMAS HIDRÁULICOS DE AERONAVES A palavra hidráulica é baseada na palavra água e originalmente significa o estudo do comportamento físico da água em repouso e em movimento Hoje o significado foi expandido para incluir o comportamento físico de todos os líquidos incluindo fluido hidráulico Sistemas hidráulicos não são novidades na aviação As primeiras aeronaves tinham sistemas de freio hidráulico Conforme as aeronaves se tornaram mais sofisticadas novos sistemas utilizando potência hidráulica foram desenvolvidos Apesar de alguns fabricantes de aeronaves utilizarem mais sistemas hidráulicos que outros o sistema hidráulico de uma aeronave moderna na média executa diversas funções Entre as unidades comumente acionadas por sistemas hidráulicos estão os trens de pouso os flaps os freios das rodas e os aerodinâmicos e as superfícies de controle de voo Os sistemas hidráulicos apresentam muitas vantagens como fonte de potência para acionamento de várias unidades da aeronave Os sistemas hidráulicos combinam as vantagens de pouco peso facilidade de instalação simplicidade de inspeção e requisitos mínimos de manutenção As operações hidráulicas são também quase que 100 eficientes com somente uma perda desprezível devido ao atrito do fluido Todos os sistemas hidráulicos são essencialmente semelhantes Independentemente da aplicação cada sistema hidráulico tem um número mínimo de componentes e algum tipo de fluido hidráulico SISTEMAS PNEUMÁTICOS DE AERONAVES Alguns fabricantes equipam suas aeronaves com um sistema pneumático Tais sistemas operam numa grande variedade do mesmo modo que o hidráulico a única diferença é que empregam o ar ao invés do líquido para transmissão de força Os sistemas pneumáticos são algumas vezes usados para 1 Freios 2 Abertura e fechamento de portas 3 Bombas de acionamento hidráulico alternadores motores de partida bombas de injeção de água etc 4 Dispositivos de operação de emergência Ambos os sistemas pneumático e hidráulico têm unidades similares e usam fluidos confinados A palavra confinado significa retiro ou completamente hermético A palavra fluido implica em líquidos tais como água óleo ou qualquer coisa que flua Líquidos e gases são considerados fluidos todavia existe uma grande diferença nas características dos dois Os líquidos são praticamente incomprensíveis Um litro de água ainda ocupa cerca de um litro do espaço independente de quanto eles sejam comprimidos Mas os gases são altamente compresíveis um litro de ar pode ser comprimido em um espaço muito pequeno A despeito dessa diferença gases e líquidos são fluidos e podem ser confinados e usados para transmitir força O tipo de unidade usada para fornecer ar comprimido para sistemas pneumáticos é determinado pelas necessidades de ar comprimido do sistema O suprimento de ar engarrafado é reservado para operação de emergência de um sistema como um trem de pouso ou freios A utilidade desse tipo de sistema é aumentada todavia se outras unidades de ar comprimido são adicionadas à aeronave Em algumas aeronaves compressores de ar permanentemente instalados são incorporados para recarregar as garrafas de ar sempre que a pressão for usada para operar a unidade Vários tipos de compressores são usados com essa finalidade Componentes Principais Compressor de Ar Responsável por gerar o ar comprimido necessário para o sistema O ar é captado comprimido e direcionado para o reservatório Pode ser acionado por motores da aeronave ou por fontes externas dependendo do tipo de operação e da aplicação Reservatório Armazena o ar comprimido para uso quando necessário O tamanho e a pressão de operação variam conforme as demandas do sistema Rede de Distribuição Tubulações que transportam o ar comprimido do reservatório para os componentes que necessitam de acionamento Inclui filtros para remover partículas e umidade garantindo a qualidade do ar comprimido Componentes Secundários Válvulas Controlam o fluxo de ar regulando sua direção pressão e intensidade Manômetros Indicadores que monitoram a pressão do sistema Reguladores Ajustam a pressão para atender aos requisitos de diferentes componentes do sistema Pressões de Operação Alta pressão Alguns sistemas pneumáticos operam com pressões de até 3000 psi sendo utilizados em aplicações que demandam maior força ou energia Baixa pressão Outros subsistemas como motores pneumáticos para partida de motores a reação funcionam em pressões mais baixas na faixa de 100 a 150 psi Aplicações O sistema pneumático desempenha diversas funções em aeronaves Partida de motores a reação Motores pneumáticos utilizam o ar comprimido para girar o eixo do motor até atingir a velocidade necessária para a ignição Acionamento de freios e flaps Em algumas aeronaves freios e superfícies de controle são operados pneumaticamente Portas e trens de pouso Certas portas de compartimento e sistemas de rebaixamento de trem de pouso usam acionamento pneumático Sistemas auxiliares Incluem despressurização controlada de cabines e alimentação de ferramentas pneumáticas em operações de manutenção Vantagens Leveza e simplicidade O sistema pneumático tem menos componentes móveis em comparação aos sistemas hidráulicos reduzindo o peso e a complexidade Confiabilidade A natureza do ar comprimido o torna menos suscetível a falhas críticas como vazamentos de fluido Facilidade de manutenção É mais fácil de diagnosticar e reparar já que não há riscos de contaminação por fluidos Limitações Eficiência reduzida em altas demandas Em aplicações que exigem força contínua e elevada o sistema hidráulico geralmente é mais eficiente Ruído O sistema pneumático pode ser mais ruidoso devido ao uso de ar comprimido