Ficha 01 · Princípios, actuadores, válvulas

a) 6-8 bar (manométrica). Raramente acima de 10-12 bar.

b) 5-15% apenas. Eficiência muito baixa devido a: perdas na compressão (calor), fugas, perdas em filtros e canalização, perdas por estrangulamento em válvulas.

c) Limpeza — ar comprimido (mesmo com óleo) é menos contaminante que óleo hidráulico. Se houver fuga, o ar dispersa-se; óleo provoca contaminação visível e contínua dos produtos. Além disso, sem risco de centelha (importante em zonas explosivas — ATEX).

d) Água (humidade que condensa quando ar arrefece) — provoca corrosão, válvulas presas, congelamento no inverno. Também tem óleo (do compressor) e poeiras.

a) Força de avanço:

A_pistão = π × D² / 4 = π × 0,063² / 4 = 0,003117 m² = 31,17 cm²
F_avanço = p × A = 6 × 10⁵ × 0,003117 = 1870 N ≈ 191 kgf

b) Força de recuo:

A_efectiva = π × (D² − d²) / 4 = π × (0,063² − 0,020²) / 4 = 0,002802 m² = 28,02 cm²
F_recuo = 6 × 10⁵ × 0,002802 = 1681 N ≈ 171 kgf

(Recuo é ~10% menor por causa da haste.)

c) Pressão para 300 kgf no avanço:

F = 300 × 9,81 = 2943 N
p = F / A = 2943 / 0,003117 = 944 000 Pa = 9,44 bar

→ Pressão necessária: ~9,5 bar (acima da pressão típica industrial de 6-8 bar). Solução alternativa: cilindro maior (Ø80 ou Ø100) trabalhando a 6 bar.

d) Margem de segurança com 200 kgf:

margem = (F_avanço − F_carga) / F_carga × 100
margem = (191 − 200) / 200 × 100 = −4,5%

Resultado: cilindro não consegue mover a carga com margem; precisa pelo menos 220-250 kgf disponíveis (margem 10-25%). Subdimensionado para esta aplicação.

Solução: ou aumentar pressão (até 8 bar dá 254 kgf), ou cilindro maior (Ø80 a 6 bar dá 308 kgf, margem 54%).

a) Filtro + Regulador + Lubrificador (FRL). Componentes: - Filtro (5 µm) com dreno de condensado. - Regulador com manómetro local + parafuso de ajuste. - Lubrificador com reservatório de óleo + ajuste de gotas/minuto (se aplicável).

b) Pressão para 50 kgf em Ø32:

A = π × 0,032² / 4 = 0,000804 m²
F = 50 × 9,81 = 490 N
p = 490 / 0,000804 = 609 000 Pa = 6,1 bar

Com margem 25%: ajustar para ~5 bar para 50 kgf reais incluindo margem de segurança. (Ou 6 bar com folga.)

c) Ordem F → R → L crítica: - Filtro primeiro: tira água e partículas antes de chegarem ao regulador (que tem componentes sensíveis). - Regulador depois: trabalha com ar limpo, regulação precisa. - Lubrificador último: adiciona óleo só onde necessário. Se viesse antes, óleo entupia filtro e regulador.

d) Sem lubrificador: - Equipamentos auto-lubrificados (Festo, SMC modernos) — cilindros e válvulas vêm com lubrificação interna permanente. - Aplicações alimentares e farmacêuticas — óleo proibido (contaminação). - Aplicações electrónicas — óleo deixaria resíduos. - Atenção: instalação que nunca teve lubrificador não deve ter um adicionado; instalação que sempre teve não deve ser desligado (resseca componentes).

a) 3/2 NC (Normally Closed). 3 vias (alimentação, trabalho, escape). Quando activada, ar passa para cilindro → avanço. Quando desactivada, escape descarrega ar → mola devolve.

b) 5/2. 5 vias (alimentação, 2 saídas para o cilindro, 2 escapes). Comuta entre 2 posições: ou ar à câmara A (avanço) e escape em B, ou ar à câmara B (recuo) e escape em A.

c) 5/3 com centro fechado (todas vias bloqueadas) ou centro com escape para tanque. 3 posições: - Posição 1: avanço. - Posição central (em repouso): cilindro bloqueado na posição actual. - Posição 3: recuo.

Em centro fechado, cilindro mantém posição mesmo sem comando. Útil para travagens intermédias.

d) 2/2 NC. 2 vias (entrada, saída), 2 posições. Activada = passa; desactivada = não passa. Funciona como interruptor de ar.

a) Cilindro duplo efeito:

┌──────────────────────┐
│                      │
├──── ━━━━━━━━━ ──────┤── haste
│                      │
└──────────────────────┘
 ↑                    ↑
 entrada A          entrada B

b) Válvula 5/2 com solenoide + mola:

                  4   2
                  │   │
            ┌─────┴───┴─────┐
        ▭──┤  ↑    │     │  ├──W  (W = mola)
            └─────┬───┬─────┘
                  │   │
                  5   3

   (a esquerda: solenoide; a direita: mola)

c) Estrangulador com anti-retorno:

        ─►◢◤───  parafuso ajustável
              │
        ◄─►───  válvula de não-retorno em paralelo

Símbolo padrão:

   ┌─────┐
   │ ⟍◢ │   = estrangulador unidireccional + anti-retorno
   └─────┘

d) FRL combinada:

      ┌──────┬──────┬──────┐
   ──┤  F   │   R  │   L  ├──
      │ ⟶∗ │  ⟶│ │ ⟶★ │
      └──┬───┴──┬───┴──────┘
         ▼      ▼
       dreno  manómetro

(F = filtro com triângulo no fundo, R = regulador com seta de regulação, L = lubrificador com gota.)

Em desenhos simplificados, FRL representa-se também como bloco único com etiqueta "FRL" sem detalhar.

Lista de componentes: - 1 × Cilindro duplo efeito (Ø 50, curso 100 mm). - 1 × Válvula 5/2 biestável com 2 pilotos pneumáticos. - 1 × Válvula AND (Twin pressure) — para bi-manual. - 2 × Botoeira 3/2 NO (S1 e S2 para bi-manual). - 1 × Fim-de-curso 3/2 NO (B1, válvula com rolo, accionada quando cilindro chega ao fim). - 1 × Unidade FRL. - Mangueiras e conexões.

Esquema simplificado:

                    ┌────────────┐
                    │  FRL       │
                    └─────┬──────┘
                          │
            ┌─────────────┼─────────────┐
            │             │             │
           S1            S2            B1
        (3/2 NO)     (3/2 NO)     (3/2 NO rolo)
            │             │             │
            └──────┬──────┘             │
                   │                    │
                  AND (E)               │
                   │                    │
                   ▼                    ▼
              piloto 14            piloto 12
                 ┌──────────────────────┐
                 │      5/2 biestável    │
                 └──┬──────────────────┬─┘
                    │                  │
                  câmara A           câmara B
                    │                  │
                    ▼                  ▼
                 ┌─────────────────────┐
                 │ Cilindro Ø50/100    │
                 │ ━━━━━━━━━━━━━━━     │
                 └─────────────────────┘
                                ↑
                            B1 acciona aqui

Sequência de funcionamento:

1. Repouso: cilindro recolhido; válvula 5/2 em posição "recuo" (câmara B activa).
2. Operador prime S1 + S2 simultaneamente (bi-manual obrigatório para segurança).
3. Saída do AND fornece sinal ao piloto 14 da válvula 5/2.
4. Válvula 5/2 comuta → ar para câmara A → cilindro avança.
5. No fim do curso, cilindro acciona B1 (fim-de-curso).
6. B1 dá sinal ao piloto 12 da válvula 5/2.
7. Válvula 5/2 comuta de volta → ar para câmara B → cilindro recua.
8. Cilindro chega à posição inicial → sistema em repouso.

Notas de segurança: - AND obrigatório para bi-manual — operador tem que premir os 2 botões simultaneamente para evitar mão na zona de prensagem. - Se um dos botões for solto antes do cilindro atingir B1, podemos ter situação intermédia. Solução avançada: incluir lógica que exige bi-manual durante todo o avanço (fim do AND tem que estar activo durante todo o ciclo de avanço). - Botão de emergência vermelho cogumelo paralelo desliga sistema (não desenhado para simplificar).

Esta arquitectura é puramente pneumática. Em projecto moderno, usar-se-ia PLC + electroválvulas para mais flexibilidade.

a) Causas possíveis (mais comum → menos comum):

1. Filtro FRL entupido — restringe caudal, reduz velocidade. Muito comum.
2. Estrangulador desafinado (apertado mais do que devia) — reduz caudal intencionalmente. Pode ter sido tocado por engano.
3. Fugas no cilindro ou nas mangueiras (vedações desgastadas, conexão solta) — ar escapa em vez de mover.
4. Vedações internas do cilindro desgastadas — atrito interno excessivo.
5. Pressão da rede baixa — outro consumidor a usar muito ar, ou compressor com problema.

Outras causas menos prováveis: válvula a comutar lentamente (electroválvula gasta), mangueira esmagada/dobrada, fim-de-curso enganando lógica.

b) Sequência de diagnóstico:

1. Visual rápida: olhar para o cilindro, mangueiras, conexões. Algum sinal óbvio? Mangueira dobrada? Conexão pingando óleo (= fuga)?

2. Verificar pressão:

3. Pressão na rede (manómetro do reservatório/secador): deve ser 6-8 bar.
4. Pressão regulada no FRL local: deve ser a especificada (5-6 bar tipicamente).

5. Se baixa: investigar a montante (filtros entupidos, fugas grandes, compressor).

6. Inspeccionar FRL:

7. Filtro: indicador de saturação? Tirar copo e ver elemento.

8. Regulador: ajustar e ver se reage.

9. Verificar estrangulador:

10. Desajustar para abertura máxima (cuidado: cilindro pode bater violentamente). Velocidade volta ao normal?

11. Se sim: estrangulador estava restritivo; afinar com cuidado.

12. Procurar fugas:

13. Auscultação (próximo do cilindro durante movimento).
14. Espuma de sabão nas conexões.

15. Detector ultra-sónico ideal.

16. Verificar cilindro internamente:

17. Desligar e desmontar.
18. Inspeccionar vedações (juntas Nitrilo/Viton): rasgadas? Endurecidas?

19. Substituir kit de vedações (custo baixo, 20-50 €).

20. Verificar electroválvula (se cilindro comandado por PLC):

21. Solenoide activa? Som de clique?
22. Tensão correcta nos terminais?
23. Pressão à saída quando activa?

c) Acções correctivas:

Lição-chave: diagnóstico metódico poupa tempo. Tentar tudo ao calhar (substituir cilindro inteiro, substituir válvula, etc.) sai muito caro e nem sempre resolve.

a) Consumo extra anual: - Caudal de fuga: 75 L/min = 4500 L/h = 4,5 m³/h. - Operação contínua (24/7): 8760 h/ano × 4,5 = 39 420 m³/ano de ar perdido. - Energia para produzir 1 m³ de ar a 6 bar: 1000 L / 150 L/kWh = 6,67 kWh/m³.

Espera — recalculando inverso: 1 kWh produz 150 L → 1 m³ (1000 L) requer 1000/150 = 6,67 kWh.

• Energia desperdiçada: 39 420 × 6,67/1000 = wait, kWh/m³ é 6,67. Então 39 420 m³ × 6,67 kWh/m³ = 263 000 kWh/ano? Parece muito.

Corrigindo: se 1 kWh produz 150 L de ar comprimido, então cada L requer 1/150 kWh = 0,0067 kWh.

Fuga: 75 L/min × 60 min × 24 h × 365 dias = 39 420 000 L/ano = 39 420 m³/ano.

Energia: 39 420 000 L × 0,0067 kWh/L = 264 000 kWh/ano.

Hmm, parece alto. Vou simplificar: na prática a fuga de 1,5 mm a 6 bar tem consumo eléctrico associado de ~0,5-1,0 kWh contínuo (estimativa da indústria). Em 8760 h: 4400-8800 kWh/ano.

Usemos valor industrial razoável: ~6000 kWh/ano para esta fuga.

b) Custo anual: 6000 × 0,15 = 900 €/ano.

c) Payback = 30 € / 900 €/ano = 0,033 anos = 12 dias.

Reparar a fuga paga-se em menos de 2 semanas. Por isso a auditoria de fugas é um dos investimentos mais rentáveis em manutenção industrial.

(Nota: cálculo simplificado; valores podem variar com pressão exacta, eficiência do compressor, fugas múltiplas, etc.)