UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO
RIO GRANDE DO SUL – UNIJUÍ
LUCIANO TOMAS CERETTA
ESTUDO DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO –
MÁQUINA CONSTRUTORA DE TIJOLOS
Panambi
2014
LUCIANO TOMAS CERETTA
ESTUDO DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO –
MÁQUINA CONSTRUTORA DE TIJOLOS
Trabalho de conclusão de curso submetido à Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUI, como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Cristiano Rafael Lopes
Panambi
2014
Para Chana, Helena e Júlio.
Para Nelson e Lúcia.
AGRADECIMENTOS
O primeiro agradecimento é destinado à minha esposa Chana, minha filha Helena e meu filho Júlio pela longa caminhada que desempenhamos juntos.
Dedico também aos meus pais Nelson e Lúcia, pelo apoio e constante incentivo na carreira acadêmica, por sempre estarem ao meu lado me apoiando ao longo da jornada, sempre me dando forças para prosseguir.
Gostaria de agradecer também aos meus irmãos Ricardo, Sandro, Cristiano e Graciele, às minhas cunhadas Cristiane, Taciana e Fabiana e ao meu cunhado Tiago que sempre me apoiaram com a perseverança necessária aos desafios que surgiam. Também agradeço aos meus sobrinhos Anderson, Rafael e Bruno.
Gostaria de agradecer também aos meus colegas e professores do curso de engenharia mecânica, pela amizade e convivência compartilhada. Estas pessoas estiveram presentes no decorrer do curso, sempre auxiliando no desenvolvimento das atividades curricular.
necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
ESTUDO DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO –
MÁQUINA CONSTRUTORA DE TIJOLOS
Luciano Tomas Ceretta
Novembro 2014Orientador: Cristiano Rafael Lopes
RESUMO
A construção civil é um importante setor da economia brasileira e atualmente está em ampla expansão. O tijolo ou bloco de concreto é um dos materiais essenciais na construção civil sendo este um elemento constituinte de residências, prédios, entre outros. Com o intuito de automatizar o processo de confecção dos tijolos e em consequência garantir a uniformidade destes, propõe-se o projeto de uma máquina construtora de tijolos. Este trabalho irá abordar a concepção, o projeto e a especificação do sistema de acionamento pneumático de uma máquina construtora de tijolos. A máquina é composta por pistões, a estrutura mecânica, um depósito de massa e uma prensa na qual a mistura de concreto é compactada nos moldes. O sistema de automação proposto propiciará o acionamento dos atuadores pneumáticos para as ações de inserção, compactação e movimentação da mistura de concreto, enquanto que a movimentação da carga com os blocos resultante será através de uma esteira acionada via motor elétrico. Portanto, com a implementação do sistema de automação concebido, a máquina operará em modo automático e caberá ao operador somente a reposição, quando necessário de concreto no respectivo depósito, assim como, a supervisão de toda a operação, sendo esta uma característica distinta aos equipamentos comerciais similares averiguados.
Abstract of Monograph presented to UNIJUI as a partial fulfillment of the requirements for the degree in Mechanical Engineering.
STUDY OF A AUTOMATION SYSTEM – BUILDING
BLOCKS MACHINE
Luciano Tomas Ceretta
November 2014Advisor: Cristiano Rafael Lopes
ABSTRACT
The civil construction sector is a very important segment of Brazilian economy and currently in wide expansion. The building blocks are essential in civil construction which one can be used in residential, buildings and others. In the aim to automate the process to make the building blocks, also ensure uniformity of them, a building blocks machine design is proposed. Hence, this work proposes the conception, design and specification of pneumatics automation system of a building blocks machine. This machine is composed by pistons, mechanical structure, concrete tank and a press in which the mixture is compacted in the molds. The proposed automation system to drive the pneumatics pistons in actions like insertion, compression and movement of the concrete mixture, while the load transportation, with building blocks, will be done by a treadmill driven by electric motor. Therefore, with the implementation of the proposed automation system, the machine will operate in automatic mode and hence the operator just to review all process and insert concrete mixture in the tank, when necessary. This automatic operating mode is a distinct characteristics assured by the proposed automation system when compared with similar commercial machines.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Exemplo de um sistema comercial para produção de blocos de concreto. ... 18
Figura 2 – Exemplo de um sistema para produção de blocos de concreto. ... 19
Figura 3 – Diagrama de blocos com classificação geral dos compressores. ... 29
Figura 4 – Atuador pneumático linear – construção básica... 32
Figura 5 – Atuador pneumático linear de simples efeito com retorno por mola. (a) normalmente retraído com retorno por mola. (b) normalmente distendido com retorno por mola. ... 33
Figura 6 – Representação simbólica do atuador pneumático linear de simples efeito. (a) normalmente retraído com retorno por mola. (b) normalmente distendido com retorno por mola. ... 34
Figura 7 – Atuador pneumático linear de duplo efeito. ... 34
Figura 8 – Representação simbólica do atuador pneumático linear de duplo efeito. ... 35
Figura 9 – Atuador pneumático oscilante de (-180o a + 180o), centrado por mola. ... 35
Figura 10 – Atuador linear de haste passante e a sua respectiva simbologia. ... 36
Figura 11 – Atuadores duplex com hastes iguais, assim como, com hastes com cursos distintos. ... 37
Figura 12 – Representação da proposta da máquina de confecção de tijolos. ... 41
Figura 13 – Fluxograma contendo a sequência de eventos de acionamento dos atuadores pneumáticos. ... 42
Figura 14 – Circuito pneumático para acionamento dos atuadores. ... 43
Figura 15 – Circuito elétrico de comando e acionamento dos solenóides referentes às válvulas pneumáticas. ... 43
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Modelos de tijolos cerâmicos utilizados na construção civil... 17
Tabela 2 – Modelos de blocos de concreto utilizados na construção civil. ... 17
Tabela 3 – Descrição de alguns modelos de máquinas de fabricação de tijolos da empresa PECMAQ -- PECFORMAS. ... 20
Tabela 4 – Descrição de alguns modelos de máquinas de fabricação de tijolos da empresa ECO MAQUINAS. ... 21
Tabela 5 – Características dos sistemas de acionamento. ... 24
Tabela 6 – Características de relações dos sistemas de acionamento... 24
Tabela 7 – Propriedades positivas do ar comprimido (AC). ... 27
Tabela 8 – Propriedades negativas do ar comprimido (AC). ... 27
Tabela 9 – Fatores de correção da força no dimensionamento do atuador. ... 45
Tabela 10 – Diâmetros do atuador 1. ... 46
Tabela 11 – Diâmetros do atuador 2. ... 46
Tabela 12 – Diâmetros do atuador 3. ... 47
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ... 13
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16
1.1 Introdução ... 16
1.2 Tipos de blocos e tijolos ... 16
1.3 Processos de fabricação de tijolos... 18
1.4 Revisão de máquinas comerciais de confecção de tijolos ... 19
1.5 Sistemas automatizados ... 22
1.5.1 Acionamento Elétrico ... 23
1.5.2 Acionamento Hidráulico ... 23
1.5.3 Acionamento Pneumático ... 24
1.6 Síntese ... 24
2 SISTEMAS DE ACIONAMENTO PNEUMÁTICO ... 26
2.1 Introdução ... 26
2.2 Sistemas de acionamento pneumático ... 26
2.3 Compressor ... 28
2.4 Atuadores pneumáticos ... 31
2.4.1 Atuadores pneumáticos lineares ... 31
2.4.1.1 Atuadores Pneumáticos Lineares de simples efeito ... 33
2.4.1.2 Atuadores Pneumáticos Lineares de duplo efeito ... 34
2.4.2 Atuadores pneumáticos rotativos ... 35
2.4.3 Atuadores pneumáticos lineares de duplo efeito especiais ... 36
2.4.3.1 Atuador linear de haste passante ... 36
2.4.3.2 Atuador linear duplex contínuo ... 37
2.4.3.3 Atuador duplex geminado ... 37
2.4.3.4 Atuador de alto impacto ... 37
2.5.1 Válvulas de controle direcional ... 38
2.5.2 Válvulas de bloqueio ... 39
2.5.3 Válvulas de pressão ... 39
2.5.4 Válvulas de fluxo ... 40
2.6 Síntese ... 40
3 PROJETO DO SISTEMA DE ACIONAMENTO PNEUMÁTICO ... 41
3.1 Introdução ... 41
3.2 Sistema funcional da máquina de confecção de tijolos ... 41
3.2.1 Acionamento do motor elétrico ... 44
3.3 Dimensionamento dos atuadores pneumáticos ... 45
3.3.1 O atuador 1 ... 46
3.3.2 O atuador 2 ... 46
3.3.3 O atuador 3 ... 46
3.4 Dimensionamento da linha de alimentação pneumática ... 47
3.5 Síntese ... 48
CONCLUSÃO ... 49
INTRODUÇÃO
Um dos setores mais relevantes da economia brasileira é a construção civil, que atualmente está passando por uma fase de grande crescimento no país, e por consequência, intensificando a demanda por atividades neste setor.
O mercado da construção civil está diante de um problema: os atrasos na entrega de empreendimentos imobiliários. As construtoras justificam que os principais motivos pelos atrasos na conclusão das obras são: a falta de materiais e de equipamentos, além de escassez de mão de obra especializada.
O custo nacional da construção por metro quadrado é de R$ 877,19 em abril de 2014, sendo R$ 487,48 relativos aos materiais e R$ 389,71 à mão de obra (IBGE, 2014). Neste sentido, pode-se destacar que 55,57% dos custos são destinados aos materiais necessários para a construção. Na região Sul o preço é ainda mais elevado, chegando a R$ 886,85 por metro quadrado.
No Brasil, a alvenaria se destaca como o procedimento construtivo mais empregado para a elaboração de edificações. Neste contexto, um dos materiais essenciais na construção civil é o tijolo, sendo este um elemento constituinte de residências, prédios, entre outros. Com o intuito de automatizar o processo de confecção dos tijolos e em consequência garantir a uniformidade destes, propõe-se o projeto de uma máquina construtora de tijolos. Esta máquina deve atender a demanda de blocos ou tijolos a serem empregados na construção de uma residência.
Constata-se que há uma série de produtos que realizam a tarefa de confeccionar tijolos ou blocos de concreto, contudo geralmente, estas empregam o sistema de prensa manual, ou então, possuem sistemas automatizados, mas, no entanto, a capacidade de produção é incompatível com a demanda almejada, e não obstante, o custo de aquisição destes equipamentos é muito elevado.
Em função disso, almeja-se averiguar a arquitetura e composição estrutural de uma máquina de construção de tijolos que disponha de sistemas manuais de prensagem e compactação. Uma vez que estes equipamentos possuem os menores preços de aquisição, almeja-se averiguar a inserção de um sistema automatizado neste equipamento, e, portanto, este passará a agregar uma capacidade de produção superior do que sua composição original. Dessa forma, o sistema de confecção de tijolos que agregará automatismos em sua arquitetura deverá possuir capacidade de produção compatível ao atendimento da demanda de construção de uma residência de alvenaria.
14 Este trabalho irá abordar a concepção, o projeto e a especificação do sistema de acionamento de uma máquina construtora de tijolos. A máquina é composta por pistões, a estrutura mecânica, um depósito de massa e uma prensa na qual a mistura de concreto é compactada nos moldes. O sistema de acionamento por pistões viabiliza a inserção, compactação e movimentação da mistura de concreto, assim como, dos blocos de concretos resultantes.
Destaca-se que sistemas automatizados, inicialmente, possuem custos elevados em função da aquisição dos automatismos e, portanto, considerando essa premissa, o projeto e seleção dos dispositivos visará a concepção de um sistema economicamente viável de implementação. Será também considerada a robustez, para que ocorra a minimização dos custos de manutenção. Outra característica importante é que a máquina seja de simples manuseio, bem como, agregar ergonomia para o operador.
Os principais critérios almejados dos tijolos, resultantes da máquina proposta, são a uniformidade do produto no que se refere à qualidade de produção e o baixo custo de fabricação.
Desta forma, com o intuito de agregar facilidade ao manuseio, assim como, segurança e ergonomia ao operador as concepções propostas para a máquina de tijolos irão agregar sistemas automatizados. Aliado aos conceitos de segurança e ergonomia, propiciados por estes sistemas, almeja-se também que a máquina de confecção de tijolos apresente um custo reduzido de fabricação e manutenção, empregando para isso, equipamentos já disponíveis.
Na composição estrutural deste trabalho, inicia-se com a introdução geral deste abrangendo os segmentos de contextualização, motivação e objetivos gerais.
No capítulo 1 é realizada uma revisão bibliográfica acerca dos tipos de sistemas que podem ser empregados em uma máquina construtora de tijolos, averiguando equipamentos comerciais que realizam a produção de blocos ou tijolos de concreto. Com a análise destes equipamentos, identificam-se características preeminentes destes, as quais se almejam inserir na máquina de confecção de tijolos averiguada neste trabalho. Aliado a isso, analisa-se os principais tipos de acionamentos para sistemas automatizados e seleciona-se o mais viável para o objetivo do trabalho.
O capítulo 2 apresenta uma revisão acerca dos sistemas de acionamento pneumático, averiguando a sua composição, assim como, as suas características preeminentes, e com base nisso identificando dispositivos potencialmente aplicáveis na máquina de confecção de tijolos. O projeto do sistema de automação pneumática da máquina de confecção de tijolos é apresentando no capítulo 3. Assim, dimensionam-se os atuadores e selecionam-se os
dispositivos comerciais para a execução do acionamento dos mecanismos. Ressalta-se ainda, que neste capítulo é concebido o sistema de acionamento e controle elétrico/pneumático dos automatismos.
As considerações finais são descritas na conclusão geral, assim como as sugestões de trabalhos futuros.
16 1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 Introdução
Como afirmando anteriormente, os tijolos apresentam diversas arquiteturas, as quais apresentam peculiaridades pertinentes ao objetivo almejado. Neste sentido, destacam-se características de robustez, densidade, peso, volume, custo e impactos ambientais como fatores preponderantes no processo de dimensionamento e seleção dos tijolos. Este capítulo visa descrever uma revisão bibliográfica acerca dos tipos de tijolos, assim como, dos métodos de fabricação destes, e neste sentido, averiguar e propor um sistema automatizado que realize a construção destes blocos de alvenaria.
1.2 Tipos de blocos e tijolos
Em essência, os tijolos ou blocos construtivos podem ser classificados segundo a matéria prima constituinte, destacam-se:
¾ Blocos cerâmicos; ¾ Blocos de solo cimento. ¾ Blocos de concreto;
A matéria prima dos blocos cerâmicos, a argila, é utilizada na fabricação de uma série de produtos cerâmicos por apresentar boa plasticidade e resistência mecânica após queima para uma série de aplicações e, além disso, é disponível em grandes quantidades no território brasileiro. Os tijolos cerâmicos são largamente empregados na construção civil, com distintas especificações acerca da resistência à compressão, conforme NBR 6461 “Bloco Cerâmico para Alvenaria – Verificação da Resistência à Compressão”.
No caso dos tijolos de solo cimento, estes são fabricados de uma mistura homogênea entre solo e cimento. Esta mistura resulta num material fofo, que após processo de compactação e cura, enrijece, adquire impermeabilização e estabiliza-se formando um produto de massa específica superior a dos componentes dos solos puros, que lhe confere alta resistência. Entretanto, como a terra não é padronizada, existem limitações ao uso de determinados solos. Destaca-se que o tijolo de solo cimento é utilizado em construções populares, o mesmo apresenta baixo custo, baixo impacto ambiental e aproveitamento adequado de matéria prima, sendo uma interessante alternativa de material construtivo (MAGALHÃES, 2010).
O bloco de concreto é a unidade mais utilizada no Brasil uma vez que o processo de fabricação é muito simples e resultando em um produto final de excelente qualidade. Estes
elementos são confeccionados em diversas geometrias e resistências à compressão (NETO, 2006). Destaca-se, que este tipo de bloco construtivo também é alvo de intensa pesquisa acadêmica, nas quais, em sua concepção, se alia o concreto com outros materiais, como por exemplo, resíduos de borracha de pneus (FIORITI, et al., 2007), retalhos de garrafa PET, etc.
No Brasil, a alvenaria constitui como o procedimento construtivo mais empregado para a elaboração de edificações. Em uso residencial, geralmente, os blocos cerâmicos são utilizados, enquanto que na alvenaria autoportante (estrutural) opta-se pelo emprego de blocos de concretos. A Tabela 1 ilustra alguns modelos de tijolos cerâmicos que são, usualmente, empregados na construção civil, enquanto que alguns modelos de blocos de concreto são apresentados na Tabela 2.
Tabela 1 – Modelos de tijolos cerâmicos utilizados na construção civil. TIJOLO
MODULAR LISO MODULAR TIJOLO MEIO TIJOLO PISOS
TIJOLO MODULAR
MACIÇO
TIJOLO
CONVENCIONAL CANALETA TIJOLO
PASTILHAS PARA REVESTIMENTO
Fonte: Grupo Aguilar. Disponível em: <http://www.sahara.com.br>. Tabela 2 – Modelos de blocos de concreto utilizados na construção civil.
BLOCO 1
2 BLOCO CANALETA 12 CANALETA PILARES
18 Em síntese, os blocos de concreto possuem resistência superior, se comparado aos blocos cerâmicos, e na maioria das vezes possuem função estrutural, ou seja, eliminam vigas e pilares da obra. Estes tipos de blocos são resistentes ao fogo, leves e duráveis, além disso, também possuem bom isolamento termoacústico. Destaca-se que os mesmos possuem maior produtividade e economia, sendo estes requisitos importantes para a construção civil.
1.3 Processos de fabricação de tijolos
Os tijolos ou blocos construtivos de concreto apresentam um procedimento de fabricação muito simples, sendo esta uma característica desejável no âmbito do objetivo global deste trabalho. Em síntese, a mistura contendo o concreto é transportada e injetada nos moldes com a geometria almejada, e na sequência ocorre a compactação da mistura nestes recipientes. Com o encerramento desta etapa, o conjunto de tijolos é removido e disponibilizado para o processo de cura, enquanto que se reinicia todo o processo com a inserção de outro conjunto de moldes que serão preenchidos pela mistura de concreto.
Na Figura 1 ilustra-se um sistema que realiza a confecção de blocos de concreto, produto este comercializado pela empresa PECMAQ – PECFORMAS Ind. Com LTDA. Esta solução apresenta capacidade de produção de até 3600 tijolos/dia de 12 cm, com acionamento pneumático para a prensa e também para o vibrador de concreto. Esta quantidade de produção é interessante e pertinente para atendimento da demanda de construção de uma residência.
Figura 1 – Exemplo de um sistema comercial para produção de blocos de concreto.
Outro sistema de produção de blocos de concreto é ilustrado na Figura 2, a qual consta em (FIORITI, et al., 2007). Neste caso, as especificações deste não foram disponibilizadas, contudo observa-se que o princípio de funcionamento é similar ao descrito anteriormente. Neste caso, a mistura de concreto é realizada externamente e esta matéria prima é transportada, via esteira, até a unidade de armazenamento da mistura (silo de concreto). Com a injeção e prensa da mistura nos moldes dos blocos, têm-se os blocos ou tijolos de concreto que são encaminhados ao processo de cura.
Figura 2 – Exemplo de um sistema para produção de blocos de concreto.
Fonte: (FIORITI, et al., 2007). 1.4 Revisão de máquinas comerciais de confecção de tijolos
A empresa paulista PECMAQ – PECFORMAS Ind. Com LTDA possui uma linha de produtos para fabricação de blocos de concreto (PECMAQ, 2014). No âmbito desta empresa destacam-se máquinas com distintas capacidades de operação e sistemas de acionamento para a fabricação dos tijolos. Neste contexto destacam-se as máquinas vibro-prensas com acionamento hidráulico, assim como prensas com acionamento pneumático. Evidentemente que o sistema de acionamento, ou seja, a presença de um sistema automatizado nestas máquinas influencia diretamente na autonomia e capacidade de operação destas, assim como no custo de aquisição.
20 Tabela 3 – Descrição de alguns modelos de máquinas de fabricação de tijolos da
empresa PECMAQ -- PECFORMAS.
MODELO DESCRIÇÃO TIPOS DE TIJOLOS PRODUÇÃO DIÁRIA
Vibro-prensa Pneumática
Máquina pneumática acionada por controles pneumáticos
individuais. Possui sistema de vibração duplo por transmissão direta dos vibradores
9 Blocos de concreto; 9 1/2 blocos; 9 Canaleta; 9 1/2 canaleta 9 Bloco de 9 – 4800 tijolos/dia 9 Bloco de 14 – 3600 tijolos/dia 9 Bloco de 19 – 2400 tijolos/dia Vibro-prensa Pneumática
Máquina para blocos pneumática. Acionada
por controles pneumáticos
individuais. Possui sistema de vibração duplo por transmissão direta dos vibradores.
9 Blocos de concreto; 9 1/2 blocos; 9 Canaleta; 9 1/2 canaleta 9 Bloco de 9 – 7200 tijolos/dia 9 Bloco de 14 – 4600 tijolos/dia 9 Bloco de 19 – 3600 tijolos/dia Semi-Automática Máquina industrial semi-automática. Para fabricação de blocos de concreto de alta frequência de vibração acionada por motor trifásico ou monofásico de 2 cv de alta rotação. 9 Blocos de concreto; 9 1/2 blocos; 9 Canaleta; 9 1/2 canaleta 9 Bloco de 9 – 3400 tijolos/dia 9 Bloco de 14 – 2550 tijolos/dia 9 Bloco de 19 – 1700 tijolos/dia Vibro-prensa Hidráulica Vibro-prensa com acionamento hidráulico com cilindros individuais. Motores dos vibradores com sistema de acionamento por pedal. Possui sistema de vibração duplo. 9 Blocos de concreto; 9 1/2 blocos; 9 Canaleta; 9 1/2 canaleta 9 Bloco de 9 – 7200 tijolos/dia 9 Bloco de 14 – 4600 tijolos/dia 9 Bloco de 19 – 3600 tijolos/dia
A empresa ECO MAQUINAS, localizada em Campo Grande – MS, por sua vez, trabalha com máquinas para construção de blocos de concreto com acionamento hidráulico. Neste caso, a linha de produtos abrange o segmento de pequenas unidades, uma vez que a produção máxima é na ordem de 4000 tijolos/dia.
Tabela 4 – Descrição de alguns modelos de máquinas de fabricação de tijolos da empresa ECO MAQUINAS.
MODELO DESCRIÇÃO TIPOS DE TIJOLOS PRODUÇÃO DIÁRIA
Eco Master 7000 Turbo II
Acionamento por comando hidráulico realizado através de duas alavancas, sendo uma concebida para uma operação de carregamento hidráulico da caixa molde e a outra para prensagem e saque dos blocos ao nível das mãos para serem retirados. 9 Intermediário 9 1/2 tijolo; 9 Canaleta; 9 Tijolo de coluna. 9 Até 4000 tijolos/dia. Eco Premium 2600 e 2700 CH MA Possui carregamento hidráulico que possibilita através da alavanca carregar o composto na caixa molde. Possui matriz aquecida para atender aspectos físicos dos tijolos em regiões com clima muito úmido.
9 Intermediário 9 1/2 tijolo; 9 Canaleta; 9 Tijolo de coluna. 9 Até 3500 tijolos/dia. Eco Brava Carregamento manual do composto na caixa molde sobre guias inferiores em aço, fechamento e abertura do suporte superior modelador através do braço articulando
automaticamente. Por uma alavanca do comando hidráulico faz-se a prensagem hidráulica e na mesma alavanca extrai-se o tijolo da caixa molde para a sua retirada.
9 Blocos de concreto intermediário; 9 Canaleta. 9 Até 1600 tijolos/dia.
22 A empresa ATLANTICA MAQ, apresenta uma extensa gama de produtos destinados à fabricação de blocos de concreto e tijolos. Neste segmento, destacam-se produtos com acionamento pneumático, hidráulico, elétrico, gasolina, assim como sistema de prensagem manual (via alavanca).
Com base na linha de produtos averiguados, observa-se que a estrutura de uma máquina de fabricação de blocos de concreto ou tijolos, emprega, essencialmente, um reservatório com a mistura do concreto, uma plataforma com os moldes e uma prensa para compactação do concreto. A presença de atuadores nestes equipamentos viabiliza o aumento da capacidade de produção, uniformidade nos produtos e ergonomia ao operador.
1.5 Sistemas automatizados
A proposta do presente trabalho é que a máquina construtora de tijolos utilize em sua concepção sistemas automatizados. Desta forma, almejam-se maiores índices de produtividade, assim como, uniformidade dos blocos de concreto e não obstante viabilizar ergonomia ao operador deste sistema.
Atualmente, o investimento em automação é uma das alternativas mais procuradas por se tratar de um processo que leva à redução de perdas, à busca do custo baixo, menor tempo de produção e alta qualidade. A automação industrial não serve apenas para empresas de grande porte, pelo contrário, esse processo é importante para todas as empresas, pois a automação garante diversas vantagens (RIBEIRO, 2001).
O conceito de automação inclui a idéia de usar a potência elétrica ou mecânica para acionar algum tipo de máquina. Deve acrescentar à máquina algum tipo de inteligência para que ela execute sua tarefa de modo mais eficiente e com vantagens econômicas e de segurança (RIBEIRO, 2001).
A introdução das primeiras formas de automação deu-se nas indústrias de processo, por meio do desenvolvimento de equipamentos de controle e de medição elétrica e pneumática.
A automatização de um equipamento está ligada à realização de movimentos automáticos, repetitivos e mecânicos. Com a automatização é possível aumentar a produtividade, assim como, diminuir os custos de fabricação.
Destaca-se que um sistema de automação, geralmente, é constituído de três tipos de elementos:
¾ Sensores
¾ Atuadores (acionamento)
A implementação de motores ou sensores elétricos é utilizada em várias aplicações na indústria, porém a energia hidráulica e pneumática em algumas situações apresenta baixo custo associado a uma melhor solução do problema.
Para os sistemas automatizados há uma série de tipos de sistemas de acionamento. No presente trabalho serão destacados os seguintes tipos:
¾ Acionamento Elétrico; ¾ Acionamento Hidráulico; ¾ Acionamento Pneumático. 1.5.1 Acionamento Elétrico
O emprego de sensores e motores elétricos abrange uma extensa gama de aplicações de sistemas automatizados. Contudo existem situações em que somente a energia hidráulica e pneumática oferecem uma solução eficiente e de baixo custo. Alem disso, em determinadas aplicações não é permitido a utilização de sistemas de acionamento elétrico, uma vez que pode ocorrer a produção de faíscas elétricas, e, portanto, não sendo interessante o emprego de motores elétricos.
Ressalta-se também, que o controle de velocidade e posição é mais complexo nos motores elétricos de corrente alternada e para este fim empregam conversores estáticos de potência (inversor de frequência), aos quais apresentam custo elevado de aquisição e manutenção.
1.5.2 Acionamento Hidráulico
Para o sistema de acionamento hidráulico, destaca-se que estes podem ser empregados quando as cargas são da ordem de até centenas de toneladas, como por exemplo, em tratores, guindastes, ou em situações de alta precisão de posicionamento como, por exemplo, máquinas de usinagem de precisão.
Uma das principais vantagens do emprego de sistemas de acionamento hidráulicos consiste na facilidade de controle de velocidade e inversão do movimento, praticamente instantâneo. Além disso, estes sistemas são auto lubrificados e compactos quando comparados aos demais sistemas de acionamento. Com relação as desvantagens do acionamento hidráulico, ressalta-se o baixo rendimento em função de que aproximadamente 40% são perdas devido ao vazamento interno nos componentes.
24 1.5.3 Acionamento Pneumático
Os sistemas de acionamento pneumáticos, por sua vez, são utilizados quando se almeja acionar cargas de até uma tonelada e com elevada rotação, como por exemplo, em fresadoras pneumáticas ou sistemas de brocas odontológicas. Ressalta-se que este é o sistema de acionamento de menor custo do que comparativamente aos sistemas elétricos ou hidráulicos (RIBEIRO, 2001).
A Tabela 5 e a Tabela 6 apresentam uma análise comparativa dos sistemas de acionamentos elétrico, hidráulico e pneumático (RIBEIRO, 2001). Em função de que os atuadores da máquina de tijolos viabilizaram somente a prensagem e movimentação dos moldes, não serão necessários elevados índices de precisão de posição e velocidade dos atuadores, assim como, não se demanda elevada capacidade de carga. Com base nestas informações, e averiguando as informações da Tabela 5 e Tabela 6, conclui-se que o sistema pneumático é preeminente aos demais com base nos requisitos e especificações demandados pela máquina de tijolos proposta neste trabalho. Evidentemente que em hipóteses nas quais as especificações sejam distintas as aqui propostas, outras soluções podem ser mais interessantes acerca do sistema de acionamento.
Tabela 5 – Características dos sistemas de acionamento.
Tipo Capacidade de carga (sem transmissão) Rigidez Inércia (peso-volume) Tamanho Qualidade de Movimento Elétrico Pequena/Média Baixa Alta Alto Alto
Pneumático Média Baixa Baixa Médio Baixo
Hidráulico Alta Alta Baixa Baixo Médio Tabela 6 – Características de relações dos sistemas de acionamento.
Tipos
Características Relação
carga/peso rigidez/peso Relação inércia/carga Relação Elétrico (sem transmissão) Baixa (sem transmissão) Baixíssima Alta
Pneumático Alta Média Baixa
Hidráulico Altíssima Altíssima Baixíssima 1.6 Síntese
Este capítulo descreveu a revisão bibliográfica de equipamentos comerciais para fabricação de tijolos e blocos de concreto. Neste sentido, ponderou-se as principais características destes equipamentos no intuito de que estas informações auxiliassem na concepção da máquina de tijolos que se almeja automatizar.
Ressalta-se também a descrição de uma revisão bibliográfica de conceitos fundamentais de sistemas automatizados, sendo enaltecidas as principais características de acionamento elétrico, hidráulico e pneumático. Em função das características dos sistemas de acionamento pneumáticos em comparação aos demais, optou-se por este sistema para realizar as atividades de movimentação de carga e prensagem dos blocos ou tijolos de concreto.
26 2 SISTEMAS DE ACIONAMENTO PNEUMÁTICO
2.1 Introdução
Este capítulo descreve uma revisão de sistemas de acionamento pneumáticos visando averiguar as características destes, investigar e identificar os dispositivos pneumáticos potencialmente aplicáveis para a máquina de confecção de tijolos.
2.2 Sistemas de acionamento pneumático
Em sistemas de acionamento pneumáticos é realizada a aplicação de ar comprimido (AC), tanto para ações de acionamento quanto para o comando. Ressalta-se que além de ar comprimido, também podem ser utilizados gases semelhantes, como por exemplo, o Nitrogênio.
A pneumática passou a ser aplicada no século XX na automação industrial, ela estuda a aplicação do ar comprimido. Assim, com a utilização do ar comprimido haverá a atuação de dispositivos que irão gerar movimentos alternativos, movimentos de vai-e-vem, rotativos e combinados. Um exemplo típico de aplicação de sistemas pneumáticos é no caso da abertura de uma porta de ônibus, o mecanismo utilizado depende exclusivamente do operador, ou seja, o operador, neste caso o motorista, aciona um botão para abrir ou fechar a porta. O botão de acionamento é o mesmo para abrir ou fechar a porta e o movimento é invertido cada vez que o botão é acionado, outra característica que apresenta este sistema é o ruído de escape de ar que a porta libera cada vez que entra em funcionamento.
Os sistemas de acionamento pneumáticos são empregados em equipamentos que necessitam de atuadores para pequenas cargas (até uma tonelada), onde se almeja movimentos de início e fim e também no caso de altas rotações. Atualmente, existem várias aplicações com base na pneumática, como por exemplo:
¾ Prensas pneumáticas;
¾ Dispositivos de fixação de peças em máquinas ferramenta e esteiras; ¾ Acionamento de portas de ônibus e de trens;
¾ Sistemas automatizados para alimentação de peças;
¾ Robôs industriais para aplicações que não exijam posicionamento preciso; ¾ Freios de caminhão;
¾ Parafusadeiras e lixadeiras;
Por suas propriedades, a aplicação do ar comprimido, difunde-se como elemento de energia e de trabalho. Para a compreensão das principais características dos sistemas
pneumáticos tem-se a descrição de algumas propriedades positivas do ar comprimido, as quais estão expostas na Tabela 7, (FIALHO, 2008). Por outro lado, o emprego do ar comprido apresenta algumas limitações quanto à sua utilização. Um resumo das características negativas do emprego do ar comprimido está enaltecido na Tabela 8.
Tabela 7 – Propriedades positivas do ar comprimido (AC).
Propriedade Descrição
Quantidade O ar, para ser comprimido, é encontrado em quantidades ilimitadas, praticamente em todos os lugares.
Transporte O AC é facilmente transportável por tubulações, mesmo para distâncias grandes. Não há necessidade de preocupação com o retorno de ar.
Armazenamento O AC pode ser armazenado em reservatórios para utilização posterior ou em emergências, quando os compressores se encontram desligados.
Temperatura O trabalho realizado com AC é insensível às oscilações da temperatura. Isso garante também, em situações térmicas extremas, um funcionamento seguro. Segurança Não existe o perigo de explosão ou incêndio. Portanto, é seguro contra
explosão e eletrocussão, sendo indicado para aplicações especiais.
Limpeza
O AC é limpo. O ar, que eventualmente escapa das tubulações e outros elementos inadequadamente vedados, não polui o ambiente. Esta é uma exigência nas indústrias alimentícias, têxteis, química, eletrônicas.
Construção de elementos
Os elementos de trabalho são de construção simples e podem ser obtidos a custos vantajosos.
Velocidade O AC é um meio de trabalho rápido, que permite alcançar altas velocidades de trabalho.
Regulagem
As velocidades e forças de trabalho dos elementos a AC são reguláveis, sem escala. Para isso são exigidos elementos especiais denominados reguladoras de pressão e fluxo.
Seguro contra sobrecargas
Elementos e ferramentas a AC são carregáveis até a parada total e, portanto, seguros contra sobrecargas.
Tabela 8 – Propriedades negativas do ar comprimido (AC).
Propriedade Descrição
Preparação
O ar comprimido requer uma boa preparação. Impureza e umidade devem ser evitadas, pois provocam desgastes nos elementos pneumáticos, oxidação nas tubulações e projeção de óxidos.
Compressibilidade
Não é possível manter uniforme e constante as velocidades dos pistões mediante ar comprimido. Quando é exigível, recorre-se a dispositivos especiais.
Forças
O ar comprimido é econômico somente até determinada força, limitado pela pressão normal de trabalho de 700 kPa (7 bar), e pelo curso e velocidade (o limite está fixado entre 2000 e 3000 N (2000 a 3000 kPa)). Escape de ar O escape de ar é ruidoso. Mas, com o desenvolvimento de silenciadores,
esse problema pode ser atenuado ou mitigado.
Custos
O ar comprimido é uma fonte de energia relativamente cara. Porém, o alto custo de energia é compensado pelo custo baixo da instalação e pela rentabilidade do ciclo de trabalho.
São necessários diversos elementos mecânicos para transformar a energia do ar comprimido em trabalho, e para esta função empregam-se os atuadores pneumáticos. Não
28 obstante aos atuadores pneumáticos, destacam-se também outros dispositivos presentes em um circuito pneumático, como por exemplo, o compressor, assim como, as válvulas pneumáticas. Neste momento serão apresentados os principais elementos constituintes de um circuito pneumático.
2.3 Compressor
Os compressores são máquinas destinadas a elevar a pressão de um determinado volume de ar, admitido nas condições atmosféricas, até uma pressão exigida para a execução de trabalho com o ar comprimido. Segundo (FIALHO, 2008), a classificação destes equipamentos segue o seu princípio de funcionamento, sendo, portanto, classificados em:
¾ Compressores volumétricos ou de deslocamento positivo; ¾ Compressores dinâmicos ou turbocompressores.
Nos compressores volumétricos ou de deslocamento positivo a pressão elevada é obtida com a redução do volume ocupado pelo gás. Na operação destas máquinas podem ser identificadas diversas fases, que constituem o ciclo de funcionamento. Em síntese, inicialmente certa quantidade de gás é admitida no interior de uma câmara de compressão, que então é cerrada e sofre a redução do volume. Finalmente, esta câmara é aberta e o gás então é liberado para o consumo. Portanto, este trata-se de um processo intermitente, no qual a compressão é efetuada em sistema fechado, ou seja, sem contato com a sucção ou descarga.
No caso dos compressores dinâmicos ou turbocompressores, estes possuem dois órgãos principais: impelidor e difusor. O impelidor é um dispositivo rotativo munido de pás que transfere ao gás a energia recebida de um acionador. Essa transferência de energia se faz em parte na forma cinética e em outra parte na forma de entalpia. Na sequência, o escoamento estabelecido no impelidor é recebido por um órgão fixo denominado difusor, cuja função é promover a transformação da energia cinética do gás em entalpia, com consequente ganho de pressão. Este tipo de compressor efetua a compressão de maneira contínua, portanto corresponde exatamente ao que se denomina, em termodinâmica, um volume de controle.
Os compressores de maior uso na indústria são os alternativos, de palhetas, de parafusos, de lóbulos, centrífugos e axiais. Um diagrama de blocos, ilustrado na Figura 3, demonstra as espécies de compressores e como estes são classificados, com base nos conceitos supracitados.
Figura 3 – Diagrama de blocos com classificação geral dos compressores.
No processo de seleção e escolha de um compressor algumas características importantes devem ser atendidas. Neste caso, deve-se considerar uma série de critérios, como por exemplo:
¾ Volume de ar fornecido: É a quantidade total em m3
de ar que pode ser disponibilizada pelo compressor quando em atividade máxima. Este conceito pode ser classificado em:
o Volume teórico: Resultante de equacionamento matemático englobando variáveis como dimensões volumétricas e número de rotações do compressor. o Volume efetivo: Dado que efetivamente define o volume do compressor para
acionamento dos diversos automatismos pneumáticos. O seu valor é em função da eficiência volumétrica do compressor.
¾ Pressão: Esta é uma característica crucial, pois define a força do Ar Comprimido aplicada aos atuadores. Esta especificação é subdividida em:
o Pressão de regime: É a pressão efetiva fornecida pelo compressor e que será disponibilizada para todos os pontos de utilização que pertencem à linha de alimentação. Em síntese, significa a pressão interna do compressor, contudo está não disponibilizada diretamente aos automatismos devido à flutuações. o Pressão de trabalho: É a pressão necessária ao acionamento dos diversos
automatismos e por consequência é menor do que a pressão de regime. Essa redução é possibilitada com a utilização de uma válvula redutora de pressão. O valor usual adotado é de 6 kgf/cm2, enquanto que a pressão de regime é na faixa de 7 a 8 kgf/cm2.
¾ Acionamento: O acionamento pode ser realizado por um motor elétrico ou a explosão (gasolina ou diesel). Geralmente, a escolha do tipo é dada em função do ambiente, assim como da disponibilidade do combustível ou energia.
o Motor elétrico: O acionamento elétrico é o mais empregado em ambientes industriais, com potências nominais da faixa de 0,5 cv até 750 cv.
30 o Motor a explosão: O acionamento com motor a explosão é empregado
somente em regiões não abastecidas por rede elétrica, ou mesmo, por situações econômicas de racionamento no fornecimento de energia elétrica. Com relação a potência nominal, neste caso, também há uma ampla faixa de excursão desde pequenos motores á gasolina até motores diesel de elevada potência.
¾ Sistema de regulagem: Em função de que a utilização de todos os automatismos não ocorre simultaneamente dentro de uma linha de alimentação é necessário combinar o volume fornecido pelo compresso com a real demanda. Assim, conforme o modelo do compressor, diferentes formas de regulagem operam entre valores preestabelecidos, ou seja, regulam a pressão do sistema entre limiares máximos e mínimos. Neste sentido, destacam-se os sistemas de regulagem frequentemente empregados.
o Regulagem por descarga: Neste tipo de regulação, durante o funcionamento do compressor, é atingida a pressão máxima preestabelecida, por exemplo, 9 kgf/cm2, uma válvula reguladora de pressão do tipo alívio é acionada, descarregando para a atmosfera o ar comprimido produzido. Somente quando a pressão da rede cair ao valor mínimo admissível, 6 kgf/cm2, é que a válvula é totalmente fechada, permitindo o restabelecimento da pressão normal.
o Regulagem por fechamento: Este tipo de regulação é similar ao anterior, porém no lugar da válvula reguladora de pressão, é utilizada uma válvula de 1/2 (uma via e duas posições com retorno por mola). A mola é ajustada para que permita a comutação da válvula somente quando for atingido o limiar de pressão máxima (pressão de fechamento). Deste modo, a alimentação do compressor é interrompida, e assim permanece, até que a pressão do compressor atinja o limiar mínimo admissível, e, portanto a mola comuta a válvula abrindo-a. O aspecto positivo deste sistema em comparação ao anterior é o maior rendimento.
o Regulagem por garras: Neste tipo de sistema de regulação, um mecanismo (garra) é acionado sempre que a pressão do ar atinge um valor predeterminado, mantendo a válvula de admissão aberta e com isso, durante a fase de compressão, o ar retorna ao ambiente. Somente após ter a pressão do reservatório retornado ao valor mínimo de desativação do mecanismo é que reinicia-se o reabastecimento normal do reservatório, repetindo-se assim o ciclo continuamente.
o Regulagem por rotação: Este tipo de regulação de pressão é empregada quando o sistema de acionamento do compressor é a partir de motores de combustão interna. Quando atinge-se o limiar de pressão máxima, ocorre a desaceleração do motor, reduzindo significativamente a rotação deste e por consequência a admissão do ar. Assim, o volume de ar a ser comprimido por unidade de tempo torna-se reduzido, permitindo que o consumo da linha faça com que o ar armazenado recaia até um nível mínimo predeterminado e o motor retorne ao seu giro normal, reiniciando o ciclo.
o Regulagem por intermitente: Este sistema de regulação é empregado quando o acionamento é a partir de motores elétricos. Um pressostato é conectado a rede elétrica e na hipótese de atuação do limiar de pressão máxima admissível deste dispositivo, ocorrerá o desligamento de uma chave contactora, culminando na desernegização do motor elétrico. Após a pressão de a linha retornar aos valores mínimos preestabelecidos o pressostato reativará o motor elétrico.
2.4 Atuadores pneumáticos
Como afirmado anteriormente, os elementos mecânicos para transformar a energia do ar comprimido em trabalho são os atuadores pneumáticos. Destaca-se que existe uma extensa gama de fabricantes destes dispositivos, como por exemplo: pneumax, Festo, SMC, Janatics, Parker, Camozzi, Bosch, Rexroth, Norgren, Bimba, Koganei, Schrader, Ckd, Airtac, Airtec, Mindman etc. Em síntese, os atuadores pneumáticos são os elementos responsáveis pela execução do trabalho realizado pelo ar comprimido, sendo classificados em lineares, rotativos e especiais.
2.4.1 Atuadores pneumáticos lineares
São constituídos de componentes que convertem a energia pneumática em movimento linear. Estes são representados pelos cilindros pneumáticos e dependendo da natureza dos movimentos, velocidade, força, curso, haverá um mais adequado para a função.
A Figura 4 apresenta um desenho com a construção básica de um atuador pneumático linear (NORGREN, 2014). Com base nesta ilustração é possível analisar a arquitetura interna deste dispositivo, assim como, identificar os principais segmentos constituintes deste automatismo pneumático.
32 Figura 4 – Atuador pneumático linear – construção básica.
Fonte: (NORGREN, 2014) Onde: 1. Vedação do amortecedor 2. Cinta magnética 3. Luva do amortecedor 4. Camisa 5. Bucha guia 6. Vedação da haste 7. Cabeçote dianteiro 8. Entrada de ar 9. Sensor magnético 10. Haste 11. Guia do êmbolo 12. Vedação do êmbolo 13. Cabeçote traseiro 14. Parafuso do amortecedor
As normas internacionais que regem os atuadores pneumáticos são: ¾ ISO 6431 e 6432 (internacional)
¾ DIN ISO 6431 e VDMA 24562 (Alemanha) ¾ NF E 49003.1 (França) ¾ UNI 20.290 (Itália) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Os atuadores pneumáticos lineares, também possuem uma subdivisão, no intuito de classificar estes quanto ao princípio de funcionamento, (i) Atuadores pneumáticos lineares de simples efeito e (ii) Atuadores pneumáticos lineares de duplo efeito.
2.4.1.1 Atuadores Pneumáticos Lineares de simples efeito
Estes atuadores possuem o movimento de retração ou expansão realizada por uma mola interna ao tubo cilíndrico (“camisa”), conforme ilustra a Figura 5. Ressalta-se também que o retorno deste atuador pode ser por uma força externa. Estes dispositivos são geralmente, aplicados em equipamentos que realizam fixação de componentes, gavetas de moldes de injeção, expulsão, prensagem, elevação de mercadorias.
Figura 5 – Atuador pneumático linear de simples efeito com retorno por mola. (a) normalmente retraído com retorno por mola. (b) normalmente distendido com retorno por
mola.
(a) Fonte: (NORGREN, 2014)
(b) Fonte: (NORGREN, 2014)
Com o acionamento de uma válvula controladora direcional o ar comprimido provindo da linha de alimentação é injetado por meio de uma mangueira na base do atuador. Esta ação proporciona a elevação da pressão na câmara posterior até o ponto de superar a força exercida pela mola, provocando enfim o movimento de extensão da haste. Enquanto a referida válvula controladora permanecer acionada, a pressão do ar continua exercendo pressão no interior do cilindro pneumático e por consequência se mantém a haste distendida. Somente com o desligamento da válvula é que o fluxo de ar para o interior da câmara é cessado, e esta mesma conexão agora viabiliza a exaustão do ar, em função da força restauradora da mola.
A mola neste tipo de atuador é dimensionada para viabilizar um rápido retorno da haste, sem permitir que a velocidade de retorno seja elevada ao ponto de absorver grande
34 energia cinética e dissipar esta com grande impacto no êmbolo localizado no fundo da câmara, ação esta que poderia causar danos ao atuador. Conforme (FIALHO, 2008), por questões funcionais este tipo de atuador é desaconselhável em aplicações que requeiram curso superior a 100 mm.
A representação simbólica, e normalizada conforme DIN/ISO 1929, de agosto de 1978 para este tipo de atuador está apresentada na Figura 6.
Figura 6 – Representação simbólica do atuador pneumático linear de simples efeito. (a) normalmente retraído com retorno por mola. (b) normalmente distendido com retorno por
mola.
2.4.1.2 Atuadores Pneumáticos Lineares de duplo efeito
Estes atuadores possuem tanto o terminal de alimentação, quanto da exaustão efetivados por conexões localizadas em ambas as extremidades do dispositivo. Com base em (FIALHO, 2008), dispositivos comerciais nesta família cobrem uma faixa de diâmetros de 6 até 320 mm.
Figura 7 – Atuador pneumático linear de duplo efeito.
Fonte: (NORGREN, 2014)
Em estado normalmente não acionado, o atuador é mantido recuado em função de o ar manter preenchido a sua câmara frontal. Com o acionamento de uma válvula controladora direcional, o ar proveniente da linha de alimentação é injetado, através de uma mangueira, elevando assim, a pressão na câmara traseira até o ponto de superar as forças de atrito juntamente com as que estiverem se opondo ao movimento da haste e provocando, finalmente, sua extensão.
Enquanto a válvula controladora permanecer acionada, a pressão do ar continua atuando no interior do cilindro pneumático, mantendo a haste distendida. Somente com a comutação da válvula, o fornecimento de ar para interior da câmara traseira é cessado,
servindo esta mesma conexão para exaustão do ar, enquanto que o ar proveniente da válvula passa a ser insuflado para a câmara frontal, culminando no retorno da haste.
A representação simbólica, e normalizada conforme DIN/ISO 1929, de agosto de 1978 para este tipo de atuador esta apresentada na Figura 8.
Figura 8 – Representação simbólica do atuador pneumático linear de duplo efeito.
2.4.2 Atuadores pneumáticos rotativos
O estudo da cinemática demonstra a impossibilidade no emprego de atuadores pneumáticos lineares para a execução de movimento com ângulos superiores a 120° (FIALHO, 2008). No intuito de solucionar esta limitação do ângulo de excursão, desenvolveu-se o atuador pneumático giratório. Portanto, estes distintos dispositivos convertem a energia pneumática em momento torsor contínuo ou limitado, possibilitando deslocamento angulares escalonados em até 360°. Destaca-se também que estes dispositivos são denominados como motores pneumáticos e oscilantes.
Figura 9 – Atuador pneumático oscilante de (-180o a + 180o), centrado por mola.
Fonte: NOGREN, (2014)
A concepção básica dos atuadores pneumáticos rotativos é muito simples. Em essência, internamente este é constituído de dois atuadores lineares de simples efeito, os quais são montados um contra o outro e fixados às extremidades de uma cremalheira que, ao se
36 movimentar lateralmente devido a ação de um dos atuadores, tem seu movimento linear transmitido a um conjunto eixo e roda dentada, alojado ao centro do equipamento, e que converte o movimento linear em movimento rotacional e momento de torção, e por consequência, transmitindo-os para o equipamento que esteja montado sobre o eixo, conforme demonstra a Figura 9.
2.4.3 Atuadores pneumáticos lineares de duplo efeito especiais
A busca de soluções para situações específicas, como a simultaneidade de movimentos, o seu escalonamento, atuação com alto impacto, a necessidade de regulagem de curso, velocidade altamente controlada e deslocamentos de precisão etc., levou a pneumática a conceber variantes para os atuadores pneumáticos de duplo efeito, os quais passaram a ser classificados como especiais.
2.4.3.1 Atuador linear de haste passante
Este tipo de atuador consiste em um atuador linear de duplo efeito, que possui duas hastes contrapostas, ligadas por intermédio do êmbolo. Esse tipo de atuador permite executar trabalhos alternadamente, em direções opostas, pois enquanto uma haste avança, a outra recua. Uma importante característica deste tipo de atuador é que suas capacidades de força no avanço e no retorno das hastes serem idênticas. Neste mesmo sentido, há também a igualdade de velocidades, pois a vazão de alimentação é a mesma, embora essa característica possa ser modificada com a conexão de válvulas controladoras de fluxo (redutoras da vazão). A Figura 10 apresenta o atuador linear de haste passante, juntamente com sua respectiva simbologia de acordo com a norma DIN/ISO 1929.
Figura 10 – Atuador linear de haste passante e a sua respectiva simbologia.
2.4.3.2 Atuador linear duplex contínuo
Este dispositivo resulta de dois atuadores lineares de duplo efeito, com mesmo diâmetro, os quais foram montados em série. Essa arquitetura possibilita como característica principal a elevação da força de avanço em 82 a 97%, e a duplicação da força de retorno (FIALHO, 2008).
As principais aplicações deste tipo de atuador são nas operações de rebitagem, assim como de estampagem.
2.4.3.3 Atuador duplex geminado
Este dispositivo é uma variante do atuador duplex, modificado para atender a grandes deslocamentos sem a necessidade de aplicação de força elevada, podendo ter diâmetro da camisa reduzido. A sua arquitetura consiste de dois atuadores pneumáticos de duplo efeito, montados um de costas para o outro, não necessitando ter mesmo diâmetros ou sequer mesmo comprimento de curso. Alguns exemplos deste tipo de atuador estão representados na Figura 11.
Figura 11 – Atuadores duplex com hastes iguais, assim como, com hastes com cursos distintos.
Fonte: (NORGREN, 2014) 2.4.3.4 Atuador de alto impacto
Este dispositivo apresenta características externas similares ao atuador normal de duplo efeito, porém a câmara traseira possui uma divisão interna. Assim há uma pré-câmara e
38 a própria câmara (agora com metade de seu volume), as quais são conectadas através de um pequeno orifício que fica bloqueado pela ponta traseira da haste, enquanto esta estiver recolhida.
Quando o atuador é disparado, o ar comprimido inicialmente acessa a pré-câmara e, uma vez que a área do orifício de ligação é relativamente menor que a área da própria pré-câmara, e ainda, inicialmente o orifício encontra-se bloqueado pela ponta traseira da haste, a pressão do ar eleva-se na pré-câmara, até que a força desenvolvida possa vencer as forças opostas, fazendo com que o conjunto haste + êmbolo inicie um rápido movimento, distendendo-se e gerando grande quantidade de energia cinética.
A importância do orifício dessa concepção é a produção da elevada energia cinética necessária a esse tipo de atuador, que tem como aplicação, basicamente, serviços de prensagem, rebitagem, cortes etc.
2.5 Válvulas pneumáticas
As válvulas são elementos de comando para partida, parada e direção de regulagem, além disso, possuem a função de orientar os fluxos de ar, impor bloqueio ou controlar a intensidade de vazão e pressão, de acordo com suas especificações. Assim, as válvulas, ao receberem um impulso pneumático, mecânico ou elétrico, permitiram que haja fluxo de ar pressurizado para alimentar determinados elementos do automatismo.
De acordo com suas funções, as válvulas são divididas em: ¾ Válvulas direcionais;
¾ Válvulas de bloqueio; ¾ Válvulas de pressão; ¾ Válvulas de fluxo; ¾ Válvulas de fechamento.
2.5.1 Válvulas de controle direcional
As válvulas de controle direcional influenciam no trajeto do fluxo de ar, orientando a direção de fluxo e também se utiliza este tipo de válvula nas partidas e paradas do equipamento.
Neste tipo de válvula, é necessário o auxílio de um agente externo para o acionamento da válvula de uma posição para outra, alternando assim as direções de fluxo, efetuando bloqueios ou liberando para escape. Neste sentido destaca-se dois tipos de acionamento:
¾ Acionamento direto: Quando a força de acionamento atua diretamente sobre qualquer mecanismo, causando a inversão da válvula.
¾ Acionamento indireto: Quando a força de acionamento atua sobre qualquer dispositivo intermediário, liberando o comando principal responsável pela inversão da válvula. 2.5.2 Válvulas de bloqueio
Também conhecida como válvula de retenção, a válvula de bloqueio libera o fluxo, preferencialmente, em um só sentido, permitindo assim fluxo reverso livre. Ocorrendo o fluxo no sentido favorável, o obturador é deslocado permitindo a passagem do fluido. Invertendo-se o fluxo, o obturador desloca-se contra a sede e impede a passagem do fluido. As válvulas de retenção são utilizadas quando se deseja impedir o fluxo de ar em um sentido.
Este tipo de válvula pode ser classificada segundo seu princípio de funcionamento, e neste sentido, destacam-se:
¾ Válvula de retenção com mola ¾ Válvula de retenção sem mola ¾ Válvula seletora
¾ Válvula de simultaneidade ¾ Válvula de escape rápido 2.5.3 Válvulas de pressão
Tem por função influenciar a intensidade de pressão de um sistema, e são denominadas como válvula de alívio ou de segurança. Estas limitam a pressão de um reservatório, compressor ou linha de pressão, evitando a sua elevação além de um ponto pré-determinado, ajustada através de mola calibrada que é comprimida por parafuso, transmitindo sua força sobre um êmbolo e mantendo-o contra a sede. Ocorrendo um aumento de pressão no sistema, o êmbolo é deslocado de sua sede, sendo a mola comprimida e permitindo contato da parte pressurizada com a atmosfera, através de uma série de orifícios por onde é expulso um volume de ar, mantendo a pressão estável. Com a redução da pressão, alcançando o valor da regulagem, a mola recoloca novamente o êmbolo na posição inicial, vedando os orifícios de escape. Em síntese, as válvulas de pressão podem ser classificadas como:
¾ Válvula de alívio ou limitadora de pressão; ¾ Válvula de sequência;
40 2.5.4 Válvulas de fluxo
São utilizadas quando é necessária a diminuição da quantidade de ar que passa por uma tubulação (velocidade de cilindros ou condições de temporização). Ressalta-se que fluxo C8 é o volume de fluido que flui num intervalo de tubulação em uma unidade de tempo. Normalmente dado em litros por segundo, centímetros cúbicos por segundo ou metros cúbicos por segundo. Assim, controlar o volume do fluido na unidade de tempo significa controlar a velocidade, pois a velocidade de um atuador é diretamente proporcional ao fluxo, e quando maior o fluxo de ar agindo sobre o atuador, maior a sua velocidade.
As válvulas controladoras de fluxo podem ser fixas ou variáveis, unidirecionais ou bidirecionais (FIALHO, 2008).
2.6 Síntese
Em função das características dos sistemas de acionamento pneumático conclui-se que estes são pertinentes para implementação do sistema de automatização da máquina de tijolos. O processo de prensagem e compactação do concreto nos moldes empregará atuadores pneumáticos. Observa-se que dentro da ampla gama de atuadores pneumáticos, os atuadores pneumáticos lineares de duplo efeito são os mais adequados, para o sistema de acionamento da máquina de confecção de tijolos, devido ao controle individual das ações de extensão e retração.
3 PROJETO DO SISTEMA DE ACIONAMENTO PNEUMÁTICO 3.1 Introdução
Este capítulo descreve a metodologia de concepção, análise e projeto do sistema de acionamento pneumático da máquina de construção de tijolos. Como afirmando anteriormente, com base em um dispositivo comercial de confecção de tijolos, o qual disponha de sistema de prensagem manual, almeja-se inserir dispositivos que viabilizem a automação deste. Neste sentido, os principais elementos que serão reutilizados são: os moldes (macho e fêmea), a estrutura mecânica e o sistema de inserção de concreto nos moldes (carrinho com o concreto).
3.2 Sistema funcional da máquina de confecção de tijolos
A Figura 12 apresenta a proposta para a máquina de confecção de tijolos. Esta será posicionada sob uma esteira, acionada por motor elétrico, a qual encaminhará os suportes até o sistema de confecção de tijolos de concreto e posteriormente, dirigirá estes ao processo de cura. A inserção de automatismos viabilizará que um sistema de confecção de tijolos, originalmente manual, opere automaticamente.
Figura 12 – Representação da proposta da máquina de confecção de tijolos.
tijolos Molde Fêmea Molde Macho Carrinho com concreto Atuador 1 suportes esteira Depósito de concreto Sensores 1 e 2 tijolos ‘ suportes Depósito de concreto
Trilho carrinho com concreto
Trilho carrinho com concreto Motor elétrico tijolos Atuador 2 Atuador 3
O motor aciona a esteira até que o suporte seja posicionado integralmente abaixo do molde fêmea. A atuação conjunta dos sensores 1 e 2 indica que um novo suporte para tijolos
42 encontra-se abaixo do molde fêmea, e portanto, este molde pode retornar a sua origem (operação de retração do atuador 3).
O atuador 1 é atuado e desliza um carrinho contendo o concreto. Esta mistura, por ação gravitacional é injetado no molde fêmea. O atuador 1 é recolhido, e por consequência o carrinho com a mistura de concreto também retorna a sua posição original encerrando esta etapa.
A próxima etapa é a prensagem do concreto nos moldes. Esta compactação é exercida pela inserção do molde macho no interior do molde fêmea (extensão do atuador 2). Ressalta-se que o molde já está preenchido por concreto, cuja ação é resultante da etapa antecessora à esta. Com a prensagem e compactação do concreto no molde, remove-se o molde macho com o recolhimento do atuador 2.
Na sequência aciona-se o atuador 3, o qual propiciará a elevação do molde fêmea. Com o final da excursão deste atuador a esteira é acionada novamente e o suporte contendo os blocos de concreto serão encaminhados ao processo de cura. Em função de que a esteira está acionada, um novo suporte de tijolos será posicionado abaixo do molde fêmea, cuja ação irá interromper a esteira assim como, propiciará o recolhimento do atuador 3.
A Figura 13 ilustra o fluxograma de acionamento dos atuadores pneumáticos. Com base nestas informações, é possível a interpretação da sequência de eventos que deverão ocorrer, e por consequência conceber os sistemas de controle e acionamento destes atuadores.
Figura 13 – Fluxograma contendo a sequência de eventos de acionamento dos atuadores pneumáticos.
A Figura 14, por sua vez, demonstra o circuito pneumático de acionamento dos atuadores. Neste projeto, optou-se pelo emprego de válvulas pneumáticas controladas por solenóide, ou seja, é um comando elétrico que fará a ignição das válvulas e por consequência a extensão ou retração dos atuadores pneumáticos. Ressalta-se também, que se fará uso de uma chave de fim de curso, posicionada tanto na posição de retração quanto de extensão de cada atuador, totalizando 6 destes dispositivos. Com base nas informações resultantes destas chaves fim de curso será possível a gestão da sequência coerente de acionamento dos atuadores.
Figura 14 – Circuito pneumático para acionamento dos atuadores.
Com base nas informações da Figura 13, bem como da Figura 14, elaborou-se o circuito elétrico de comandos dos dispositivos acionadores dos automatismos. O circuito elétrico que controla os atuadores pneumáticos, assim como os atuadores elétricos está apresentado na Figura 15.
Figura 15 – Circuito elétrico de comando e acionamento dos solenóides referentes às válvulas pneumáticas. B0 : Parada Emergência B1 KM Sw6 sensor1 sensor2 Sw5 Sw5 Kaux1 KM Sol6 Kaux1 Sw2 Sol1 Kaux2 Sw2 Kaux2 Sw1 Sol2 Kaux2 Sw1 Sw4 Sol3 Sw4 Kaux3 Sw3 Sol4 Kaux3 Sw6 Sol5 Sw3 Fase A Neutro Kaux3 Motor elétrico esteira
44 O botão B0 é responsável por desligar toda a máquina, assim como bloquear a execução de qualquer tarefa. Este também pode ser empregado em situações de emergência.
O início da operação da máquina de tijolos é através do botão B1. Com o acionamento manual deste a máquina passa a operar automaticamente e iniciará a elaboração dos blocos ou tijolos de concreto, sem a intervenção humana nas etapas de inserção de concreto nos moldes, compactação do concreto nos moldes e remoção de blocos resultantes. Um operador será necessário somente para o abastecimento de concreto no respectivo depósito, assim como para a supervisão do sistema global. Esta importante característica é distinta das demais máquinas de confecção de tijolos descritas na revisão bibliográfica.
3.2.1 Acionamento do motor elétrico
Esta seção aborda o circuito de acionamento do motor trifásico que propiciará o acionamento da esteira que constitui a máquina de confecção de tijolos. O circuito elétrico de suprimento de energia para o motor trifásico, assim como a alimentação dos circuitos de comando está apresentado na Figura 16. O motor elétrico trifásico está conectado em uma rede elétrica de 220/380V e 60Hz. O circuito de acionamento dos relés, circuitos auxiliares de iluminação e sinalização, assim como de acionamento dos solenóides das válvulas pneumáticas está conectado entre a fase R e o condutor Neutro, conforme em (KOSOW, 1985).
3.3 Dimensionamento dos atuadores pneumáticos
Neste momento, será determinado o dimensionamento dos atuadores pneumáticos constituintes da máquina de confecção de tijolos.
O procedimento de dimensionamento dos atuadores pneumáticos é dado em função da força de projeto que estes elementos demandam para execução da operação requerida, conforme (FIALHO, 2008). Assim, com base nesta informação determina-se o mínimo diâmetro aceitável do pistão, conforme a expressão (1). Definido o diâmetro mínimo e conhecidas as demais necessidades quanto ao tipo de fixação, curso etc, pode-se procurar nos catálogos dos fabricantes um atuador que tenha diâmetro mínimo igual ou ligeiramente superior ao calculado. Assim, deve-se respeitar a relação:
Diâmetro comercial t Diâmetro calculado. Desta forma, dimensionam-se os atuadores através da expressão (1).
2 Fp . Dp Pt M S (1) Onde:
Dp é o mínimo diâmetro aceitável do pistão
> @
cm ;Fp é a força de projeto, ou seja, força necessária para a execução da operação,
> @
kp ;M é o fator de correção da força de projeto, conforme Tabela 9; Pt é a pressão de trabalho 2
kg/cm
ª º
¬ ¼ , usualmente6 kg/cm2;
Tabela 9 – Fatores de correção da força no dimensionamento do atuador.
Velocidade de deslocamento da haste do
atuador Exemplo Fator de correção
Lenta e carga aplicada somente no fim do curso Operação de
rebitagem 1,25 Lenta e carga aplicada em todo o desenvolvimento
do curso Talha pneumática 1,35
Rápida com carga aplicada somente no fim do curso
Operação de
estampagem 1,35 Rápida com carga aplicada com todo o
desenvolvimento do curso
Deslocamento de
mesas 1,50
Situações gerais não descritas anteriormente 1,25
É importante ressaltar que para o dimensionamento dos atuadores é necessário o conhecimento dos índices de força de projeto que cada um destes automatismos irá executar. Para a máquina de confecção de tijolos estes valores de força de projeto são resultantes de uma estimativa baseada no volume de mistura de concreto que é transportada e compactada.
46 3.3.1 O atuador 1
O dimensionamento deste atuador empregará as seguintes especificações: ¾ Força de projeto Fp1 150 kp ou Fp1 150 Kgf ;
¾ Fator de correção da força de projeto M1 1, 50 - deslocamento de mesas.
¾ Pressão de trabalho 2
6 kg/cm
Pt
Assim, empregando a expressão (1) como base, tem-se: M S S o o 1 1 1 1 1 150 1, 5 2 2 6, 911 cm 6 Fp Dp Dp Dp Pt (2)
O valor teórico do diâmetro, assim como, do elemento comercial selecionado constam na Tabela 10.
Tabela 10 – Diâmetros do atuador 1.
Diâmetro calculado [mm] Diâmetro comercial [mm]
69,10 80,00 3.3.2 O atuador 2
O dimensionamento deste atuador empregará as seguintes especificações: ¾ Força de projeto Fp2 150 kp ou Fp2 150 Kgf ;
¾ Fator de correção da força de projeto M2 1, 35- estampagem.
¾ Pressão de trabalho 2
6 kg/cm
Pt
Assim, empregando a expressão (1) como base, tem-se: M S S o o 2 2 2 2 2 150 1, 35 2 2 6, 555 cm 6 Fp Dp Dp Dp Pt (3)
O valor teórico do diâmetro, assim como, do elemento comercial selecionado são enaltecidos na Tabela 11.
Tabela 11 – Diâmetros do atuador 2.
Diâmetro calculado [mm] Diâmetro comercial [mm]
65,55 80,00 3.3.3 O atuador 3
O dimensionamento deste atuador empregará as seguintes especificações: ¾ Força de projeto Fp3 70 kp ou Fp3 70 Kgf ;
