A hidráulica e a pneumática são as duas principais tecnologias baseadas em fluidos presentes nas aplicações de automação industrial. Cada uma delas possui características peculiares, mas em muitos casos as suas capacidades específicas unem-se e desenvolvem soluções extremamente versáteis. É o caso dos equipamentos hidropneumáticos.
Neste artigo vamos abordar alguns conceitos fundamentais que devem ser lembrados nas aplicações envolvendo estes equipamentos e também expor algumas delas demonstrando que determinadas necessidades específicas muitas vezes requerem conhecimento aliado à criatividade.
Muitos profissionais que atuam em áreas como manutenção, projetos, engenharia industrial e produção possuem conhecimentos básicos sobre essas duas tecnologias. Caso não haja um profundo conhecimento científico, é possível pensar que ambas são idênticas. Acompanhe na tabela 1 alguns aspectos extremamente importantes que diferem nessas duas ciências.
Observe na tabela que as duas tecnologias possuem diferenças importantes que não podem ser esquecidas em cada aplicação. Cabe ainda salientar que os parâmetros citados consideram aplicações convencionais, visto que, com a utilização de equipamentos especialmente construídos, pode-se alcançar valores bem diferentes.
T1.
Por quê unir hidráulica e pneumática?
Após ver algumas características na tabela 1, observe que as duas tecnologias estão em extremidades opostas da escala de comparação. Note a diferença nos itens “velocidade dos atuadores” e “capacidades de força”. Assim, é possível aliar as qualidades das duas tecnologias para obter equipamentos otimizados. Imagine, por exemplo, uma aplicação que exija alta velocidade e paradas precisas. Essas duas exigências simultâneas requerem características dificilmente presentes em uma só tecnologia. A solução é aliar hidráulica e pneumática em um equipamento híbrido.
É o caso do elevador para veículos ( figura 1), utilizado em postos de combustíveis, concessionárias e algumas oficinas mecânicas. Embora não seja um equipamento da área de automação industrial, ilustra de forma simples como as duas tecnologias baseadas na Mecânica dos Fluidos são utilizadas em conjunto para alcançar o resultado desejado.
Uma aplicação como esta requer alguns cuidados especiais:
1º) O equipamento vai erguer um veículo, cujo peso pode chegar a 2 mil kg.
2º) O veículo deve ser manipulado com extremo cuidado, uma vez que é Patrimônio do Cliente.
3º) O operador do equipamento deve trabalhar com total segurança, pois estará posicionado sob o veículo. O sistema deve manter o veículo no alto sem possibilidade de queda acidental.
4º) Para que o veículo seja manipulado com total segurança, não deverão ocorrer movimentos bruscos ou em altas velocidades.
Para atender a essas exigências, veio a necessidade de somar as qualidades da hidráulica com a pneumática. Esta última permite uma redução de custos no equipamento, porque um posto de serviço já utiliza o ar comprimido para diversas funções. Assim, evita-se a instalação de uma unidade específica para esta necessidade. A hidráulica participa com o controle preciso de velocidade, impedindo movimentos bruscos de subida ou descida, reduzindo a possibilidade de acidentes com o veículo ou com o operador.
F1.
O exemplo mais comum de uma aplicação hidropneumática é o elevador de veículos, utilizado em postos de serviços, para troca de óleo e lavagens de partes inferiores. Conforme se observa na figura, o ar comprimido vem do compressor e chega até uma válvula de comando de ar, que, quando aberta, libera a passagem do ar para o tanque de óleo. No tanque é que ocorre a passagem de atuação pneumática para atuação hidráulica. O ar comprimido força o óleo para o fundo do reservatório, obrigando-o a subir pela tubulação de saída que vai conduzi-lo até uma válvula de comando de óleo. Esta válvula, quando aberta, permitirá que o óleo siga até o atuador hidráulico que irá erguer a plataforma.
Critérios para aplicar equipamentos hidropneumáticos:
1.Para as aplicações industriais com movimentos longos (cursos superiores a 1 metro), o reservatório de óleo pode sair muito caro devido às suas dimensões. Nesta situação, a solução puramente hidráulica pode ser mais interessante.
2.Caso o equipamento tenha o atuador pneumático e hidráulico (montados em paralelo), é fundamental um perfeito alinhamento de hastes. Do contrário, perde-se força e ganha-se desgastes prematuros de anéis raspadores e retentores.
3.Caso a máquina não exija ação controlada nos dois sentidos, o equipamento hidráulico deve permitir o movimento em um dos sentidos com velocidade livre. Assim, a máquina não tem seu ciclo de funcionamento prejudicado.
4.A fase hidráulica e a pneumática devem trabalhar isoladas fisicamente para evitar contaminações e formação de bolhas.
Aplicações no ambiente industrial
Antes de abordarmos as aplicações de hidropneumática na automação industrial, é importante conhecer os três principais equipamentos utilizados:
1) Conversor do meio de pressão
A principal função do conversor do meio de pressão é obter velocidade controlada. Para tanto, é usada uma válvula reguladora de fluxo (ou vazão) que permite controle preciso da velocidade. Este equipamento não provoca alteração da pressão. Veja na figura 2 o esquema do conversor do meio de pressão.
F2.
2) Variador de pressão (intensificador ou booster)
Diferente do conversor, o intensificador de pressão tem a função de fornecer na saída uma pressão maior que a recebida na entrada. Esta função é obtida por meio de um dispositivo hidropenumático que une dois atuadores de áreas diferentes. Ele aumenta a pressão do ar na saída do atuador e transmite a mesma para o atuador menor (lembrando que quanto menor a área, maior a pressão). Após o processo de aumento de pressão, esta é transmitida a um terceiro atuador que irá executar o trabalho. Observe a figura 3.
F3.
Os intensificadores de pressão devem ser dimensionados conforme a pressão de entrada e a pressão desejada na saída. Com base nesses dados, será definida a diferença de área entre os dois atuadores que formam o intensificador.
A ampliação obtida na pressão é diretamente proporcional à diferença das áreas envolvidas. Como exemplo, se a área “número um” é dez vezes maior que a área “número dois”, a pressão de saída também será dez vezes maior que a pressão de entrada.
3) Unidade de avanço hidropneumática
Dentre os três equipamentos que permitem a aplicação de hidropneumática, este é o mais utilizado devido à capacidade de controle de movimentos e manutenção de velocidade uniforme. Por causa dessa característica, esta é a principal aplicação dos equipamentos hidropneumáticos em automação industrial. O controle preciso de velocidade se faz necessário em diversas aplicações como, por exemplo, operações de usinagem, operações de pintura ou acabamento de produtos ou ainda em braços robóticos.
A unidade de avanço hidropneumática é composta por um ou dois cilindros pneumáticos, uma frenagem hidráulica (hidro-check), um compensador de óleo e uma válvula de regulagem de fluxo, que faz o controle da velocidade da frenagem. É importante lembrar que neste equipamento um dos sentidos do movimento não tem a velocidade controlada. Isto porquê nesse tipo de equipamento hidropneumático o movimento de retorno do cilindro pneumático não deve ser retardado. Assim, uma máquina realiza maior número de ciclos no mesmo tempo.
O cilindro pneumático pode ser de haste passante. A parte traseira desta haste pode ficar encaixada à haste da frenagem hidráulica por uma travessa. Logo, o cilindro pneumático ficará como “escravo” da frenagem, impedindo que o mesmo varie a velocidade ao longo do curso.
Caso a frenagem possua uma segunda válvula de regulagem de fluxo incorporada e montada em posição de restrição oposta à primeira, a frenagem poderá controlar o movimento nos dois sentidos.
O compensador de óleo tem a função de repor eventuais perdas por vazamento e de compensar também a diferença de áreas entre a câmara dianteira e traseira da frenagem. A velocidade do êmbolo é regulável, sem escala, de 30 a 6 mil mm/min. Observe na figura 4 o desenho esquemático das frenagens hidráulicas com dois atuadores pneumáticos.
F4.
Exemplos de aplicação
Acompanhe agora dois casos de aplicações de hidropneumática para um melhor entendimento da união dessas duas tecnologias.
Caso 1) Sistema de pintura de utensílios agrícolas por mergulho
Neste exemplo, retirado de uma aplicação real, um cliente pediu que o equipamento pretendido permitisse o movimento das peças que iriam ser pintadas. Este movimento, entretanto, deveria ser extremamente lento e preciso para garantir a qualidade adequada no acabamento do produto. A solução então foi aplicar um sistema hidropneumático, o que possibilitou alcançar o objetivo proposto ( figura 5).
F5.
Caso 2) Sistema de usinagem automatizado
Sistemas hidropneumáticos são bastante empregados em operações que envolvem usinagem. Isto porquê a hidropneumática atende de forma extremamente adequada aos requisitos deste tipo de aplicação. Automações nessa área exigem altas velocidades do equipamento pneumático combinadas com o controle de velocidade da hidráulica.
No exemplo da figura 6, note o esquema de automação de um sistema de furadeiras que podem movimentar-se linearmente com velocidades controladas. O esquema permite o trabalho de furação sem riscos de quebra de broca e com excelente qualidade no acabamento do furo. O ajuste da velocidade é feito pela válvula reguladora de fluxo incorporada em cada furadeira.
F6.
* Alberto Carlos Palazzo é tecnólogo em mecânica em Processos de Produção. Exerce a função de Técnico em Educação no Senai/SP.
**João J. Carlos Filho é representante da empresa Forte Hidráulicos Ltda
*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 4 - N°29 - Ago/Set/2006 
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