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LABORATÓRIO CIENTÍFICO INFANTIL
Músculos do ar. Laboratório de Ciências para Crianças
Diretório / Laboratório de Ciências para Crianças Com alguma extensão, podemos supor que o acionamento pneumático das máquinas é um dos mais antigos. Afinal, o vento há muito serve ao homem tanto nas velas dos navios quanto nas pás dos moinhos. Com uma abordagem mais rigorosa, o atuador pneumático é talvez um dos mais novos e, portanto, muito promissor. É utilizado para fixação elétrica de peças, movimentação de ferramentas, passos e avanços intermitentes em linha reta e em círculo, utilizados em corte, prensagem, montagem e muitas outras operações tecnológicas. Basta dizer que aproximadamente metade dos robôs industriais são acionados pneumaticamente. Sua ideia básica é extremamente simples. O compressor comprime o ar. Esta "mola" de gás armazena energia potencial armazenada até que o ar seja fornecido ao motor pneumático. Ao expandir, a energia potencial se transformará na energia cinética do elo de saída, por exemplo, um pistão com haste, que, por sua vez, colocará em movimento o corpo de trabalho da máquina. Além da simplicidade de design, o atuador pneumático apresenta muitas vantagens. Em primeiro lugar, o fluido de trabalho está sempre à mão, é literalmente retirado “do nada”. Além disso, após o uso, é jogado fora, quase sem problemas ambientais. E como o ar é higiênico em comparação com outros fluidos de trabalho, o atuador pneumático é amplamente utilizado nas indústrias alimentícia, eletrônica e farmacêutica, bem como em instrumentação de precisão. As instalações com acionamento pneumático, em igualdade de condições, são mais baratas, mais confiáveis, funcionam bem no calor e no frio, não têm medo de alta umidade e poeira e garantem total segurança contra incêndio, elétrica e explosão. A vida útil dos atuadores pneumáticos chega a 20000 horas, a força de trabalho chega a várias toneladas e as velocidades de trabalho são 5 vezes maiores que as do atuador hidráulico, e tanto a força quanto a velocidade podem ser ajustadas suavemente usando dispositivos muito simples. Em muitos casos, o acionamento pneumático pode ser conectado diretamente ao corpo de trabalho da máquina, que é acionada sem transmissões mecânicas complexas. Outras vantagens importantes em comparação com o acionamento elétrico são a capacidade de travar sob carga por tempo ilimitado e a capacidade de dispensar dispositivos de proteção contra sobrecarga. Portanto, as vantagens são muitas, e o acionamento pneumático, claro, estaria fora de competição se não tivesse igualmente inúmeras deficiências. É difícil livrar-se deles, pois essas deficiências são uma continuação orgânica dos méritos. Devem-se ao fato do fluido de trabalho ser o ar, um gás compressível. Devido a esta propriedade, é impossível realizar movimentos suaves dos corpos de trabalho da máquina durante oscilações de carga, é difícil parar a ferramenta em um ponto estritamente definido e o comando pneumático através da tubulação só pode ser transmitido no velocidade do som. Portanto, em alguns casos, os sistemas híbridos são convenientes: pneumo-hidráulicos (se você precisar de alta suavidade ou precisão de parada) e eletropneumático (se precisar garantir velocidade). A vantagem do acionamento hidráulico é a capacidade de utilizar alta pressão do fluido de trabalho (até 500 atmosferas). Ele permite criar forças de centenas e milhares de toneladas com cilindros pequenos. Por que a mesma alta pressão não é utilizada no acionamento pneumático? Em primeiro lugar, é difícil criá-lo num compressor de ar e, em segundo lugar, é perigoso de usar. Quando uma tubulação se rompe, o ar comprimido explodirá os pedaços como estilhaços. Assim, resumindo, pode-se argumentar que, exceto nos casos em que são necessários grandes esforços e precisão na fixação de uma peça ou ferramenta de trabalho, o melhor é utilizar um atuador pneumático simples, barato e confiável. Como motores pneumáticos são utilizados diversos mecanismos: membrana, pistão, palheta, turbina ... Mas não basta ter um motor que realiza trabalho mecânico, é preciso também controlar seu movimento, e para isso é preciso resolver três principais tarefas: mudar a direção do movimento retilíneo e rotacional, alterar suavemente sua velocidade e regular suavemente a força de trabalho gerada. Para tanto, foram criados diversos dispositivos pneumáticos.
Vamos falar um pouco mais sobre esses mecanismos. O motor pneumático mais simples é um atuador de diafragma com uma mola de retorno que comprime durante o deslocamento para frente. Suas principais vantagens são a simplicidade do projeto, a estanqueidade da cavidade de trabalho e apenas uma linha pneumática de comando. E a principal desvantagem é um curso de trabalho relativamente pequeno. O mecanismo de membrana encontrou ampla aplicação nas indústrias petroquímica e de gás, bem como nos transportes. Abre as portas dos ônibus, aciona os freios dos vagões e caminhões. O cilindro pneumático de pistão é ainda mais popular entre os fabricantes de máquinas. Os cilindros de simples ação são semelhantes aos motores de diafragma e apresentam as mesmas vantagens e desvantagens. Cilindros pneumáticos de dupla ação proporcionam cursos significativamente maiores e, portanto, são usados com mais frequência. Até recentemente, apenas a haste servia como elo de saída nesses motores. Quando o ar comprimido é fornecido a uma das cavidades do cilindro, a outra cavidade é conectada à atmosfera. Portanto, em um cilindro pneumático de dupla ação, o pistão com a haste só pode estar em duas posições extremamente estáveis - a haste está totalmente retraída ou totalmente estendida. Quando o diâmetro do cilindro é limitado, utiliza-se um cilindro pneumático duplo ou até triplo. Consiste em dois ou três cilindros conectados em série entre si, trabalhando em uma haste comum. Neste caso, as forças que atuam nos pistões se somam. Se o cilindro pneumático for instalado verticalmente, quando o fornecimento de ar comprimido for interrompido, sua haste poderá cair sob a ação da gravidade. Para evitar este fenómeno, a FESTO (Áustria) desenvolveu um cilindro pneumático, no qual a haste é fixada de forma segura por um mecanismo especial, e é novamente libertada quando o ar comprimido é fornecido. A transmissão do movimento por meio de uma haste apresenta várias desvantagens. Primeiro, a haste deve ser selada. Em segundo lugar, quando a haste está totalmente estendida, o comprimento total do cilindro pneumático quase duplica. Em terceiro lugar, a magnitude do curso é limitada pela rigidez da haste - com um curso longo, a haste começará a dobrar. Nos últimos anos, várias empresas estrangeiras desenvolveram cilindros pneumáticos sem haste, desprovidos dessas deficiências. Assim, a empresa FESTO desenvolveu um projeto no qual fortes ímãs de anel permanente são incorporados ao pistão e ao carro. Quando o pistão se move devido à ação de forças magnéticas, o carro móvel externo também se move ao longo do eixo do cilindro. O corpo de trabalho da máquina é fixado a ele. Isso fornece os seguintes benefícios. Em primeiro lugar, o comprimento total do cilindro não muda quando o pistão se move e, em segundo lugar, tal cilindro pode fornecer um curso significativamente maior em comparação com um convencional - até 10 metros ou mais. Além disso, é necessária apenas uma vedação entre o pistão e o cilindro, e o próprio cilindro, com duas entradas de ar comprimido, torna-se uma estrutura vedada. Em um cilindro pneumático sem haste fabricado pela ORIGA (Suécia), o pistão é rigidamente conectado a um carro móvel colocado na superfície externa do cilindro através de uma fenda longitudinal deslizante. Esta lacuna é vedada com o auxílio de duas fitas de aço flexíveis (interna e externa) e ímãs permanentes. A ligação rígida do pistão ao carro garante a dependência da força de trabalho transmitida da pressão do ar comprimido, o que distingue este desenho do anterior. No cilindro pneumático da empresa BOSCH (Alemanha) existem hastes em ambos os lados do pistão, mas são uma fita de aço flexível. Estas correias são vedadas contra o cilindro e transmitem o movimento ao carro móvel externo através de dois rolos. Quando o pistão se move para a direita, o carro se move para a esquerda e vice-versa. O carro está equipado com freio pneumático, que permite pará-lo não só em posições extremas, mas também em qualquer posição intermediária. No entanto, a precisão desse posicionamento é baixa. O motor pneumático da mangueira não possui haste - uma mangueira oca de borracha, ao longo do eixo da qual um carro com dois rolos pode se mover ao longo de sua superfície externa. Em cilindros pneumáticos em altas velocidades, o pistão pode criar choques nas extremidades do curso. Para evitá-los, foram criados cilindros pneumáticos com freio, que podem ser ajustados suavemente por meio de aceleradores - orifícios de seção transversal variável. Cilindros pneumáticos rotativos são amplamente utilizados para acionar mandris, fixar peças brutas e material de barra em tornos de rosqueamento. O fornecimento de ar comprimido aos mesmos é feito por meio de um acoplamento especial. O corpo do cilindro pode girar em torno do eixo longitudinal, enquanto a embreagem permanece estacionária. Existem várias operações tecnológicas de choque, por exemplo, estampagem. Para eles foram desenvolvidos cilindros pneumáticos de impacto, nos quais a energia potencial do ar comprimido é convertida em energia cinética de impacto. Outro tipo de motor pneumático é o de câmara ou balão. São utilizados em embreagens e freios de prensas, utilizados como macacos de automóveis, “pneumomatas” para levantamento de estruturas maciças, por exemplo, na construção de aeronaves, na suspensão pneumática de chassis de automóveis. Esta suspensão permite ajustar a distância ao solo (folga) do carro. Muitas vezes é necessário girar o corpo de trabalho da máquina. Para tanto, são utilizados motores pneumáticos rotativos, na maioria das vezes pistão e deslizantes (pás). Em um pistão-pistão, dois pistões são conectados por uma haste comum, na qual há uma cremalheira que engrena com a roda dentada. O eixo deste último é o elo de saída do motor pneumático. Sob a ação do ar comprimido, os pistões e a haste realizam um movimento alternativo, que é convertido na rotação do eixo de saída. Em um motor pneumático de palhetas, o corpo é feito em forma de anel com divisória fixa. Dentro desta carcaça, sob a ação do ar comprimido, uma lâmina selada (ou comporta), também associada ao eixo de saída, pode girar. Nos motores pneumáticos, a energia potencial do ar comprimido é convertida em um movimento rotacional multivoltas do eixo de saída. Existem muitos tipos de motores pneumáticos - engrenagens, lamelares, turbinas, parafusos. Os mais difundidos são os motores pneumáticos de palhetas e turbinas, especialmente para acionamento de ferramentas pneumáticas - furadeiras e retificadoras, chaves de fenda, chaves inglesas, tesouras, limas e muitos outros. Sua principal vantagem é a total segurança elétrica e contra explosão. Já foi dito que as desvantagens do acionamento pneumático associadas à compressibilidade do ar são desprovidas do acionamento combinado - pneumo-hidráulico. Nesta definição, a palavra “pneumo” não é em vão. A fonte de energia nele é o ar comprimido. Este acionamento é composto por dois cilindros - pneumático e hidráulico, cujos pistões e bielas são rigidamente fixados entre si, o que garante alta suavidade de movimento. A velocidade de deslocamento é controlada por um acelerador montado na tubulação de desvio. Se a comunicação entre as cavidades do cilindro hidráulico for fechada com válvula, devido à incompressibilidade do líquido, é possível parar o pistão com a haste em qualquer posição intermediária, ou seja, realizar um posicionamento preciso. Tal impulso combinado tem todas as propriedades positivas de seus “pais”, exceto uma: não cria grandes forças de trabalho. Isto é incompreensível. Afinal, a fonte de energia é o ar comprimido de baixa pressão (em comparação com o acionamento hidráulico). Grande esforço fornece reforço pneumohidráulico. Nele, a fonte de energia é o ar comprimido, cuja pressão é transferida para o óleo através da haste. Em um cilindro hidráulico, a pressão é dez vezes maior que a pressão do ar comprimido - isso depende da relação entre as áreas do pistão e da haste. O uso de boosters hidráulicos pneumáticos é especialmente conveniente nos dispositivos de fixação de máquinas-ferramentas. Neles, ao movimentar as mandíbulas de fixação para contato com o produto, é necessária baixa pressão e alta pressão para garantir a fixação do produto. Tais amplificadores também encontraram aplicação em dispositivos de frenagem de diversas máquinas e no acionamento de ferramentas, por exemplo, furadeiras, onde proporcionam maior torque. Esses amplificadores da MEKMAN (Suécia) fornecem uma pressão de óleo de 250 atmosferas com uma pressão de ar comprimido de apenas 10 atmosferas! Detenhamo-nos mais detalhadamente no uso de um atuador pneumático em manipuladores robóticos industriais. O desenvolvimento da robótica começou com a criação dos robôs industriais mais simples e leves, por isso o acionamento pneumático revelou-se muito útil. Normalmente os elos do manipulador são estruturas rígidas. Cada elo é fornecido com seu próprio acionamento - assim como o ombro, o antebraço e a mão de uma pessoa têm seus próprios músculos. O número de links (ou seus acionamentos) determina o número de graus de liberdade do robô. Para a maioria dos robôs existentes, este número não excede seis ou sete. Mas o número de graus de mobilidade determina a manobrabilidade do manipulador, incluindo a capacidade de contornar ou contornar obstáculos. A mão humana tem 22 graus de mobilidade. Recentemente, um atuador pneumático de rigidez variável foi desenvolvido na URSS. Tal mecanismo, semelhante a uma cobra, permite criar um manipulador com um número infinito de graus de liberdade. É uma concha oca flexível com várias câmaras longitudinais. Quando são aplicadas pressões iguais a todas as câmaras, o manipulador ocupa uma posição vertical, e quando são aplicadas pressões diferentes, ele se curva em direção às câmaras com menor pressão. Na França, foi desenvolvido um robô pneumático "Cedrom-3" que, como um verme, se move de forma peristáltica - devido aos sucessivos alongamentos e contrações de seu "corpo" flexível. Consiste em três seções. Cada um deles é um tubo corrugado elástico semelhante a uma mangueira de máscara de gás. Esse "verme" robô pode rastejar ao longo de qualquer canal, tubo, superfície plana, convexa ou côncava, na direção horizontal ou mesmo vertical. Ele pode fazer curvas em um ângulo de até 90°, mover-se em ambientes soltos - em areia, grãos, neve, detritos. Em repouso, este robô tem 3 m de comprimento e 120 mm de diâmetro. Seu peso é de 10 kg, a força de tração é de 80 kg, a velocidade de deslocamento é superior a 1 m/min. Pode "rastejar" distâncias superiores a 30 m e suportar temperaturas de até 80°C. No Japão, câmaras elásticas tubulares cheias de ar comprimido são usadas para acionar o robô. Esse acionamento é um pedaço de tubo de borracha envolto em uma trança de material sintético. Quando o ar comprimido é fornecido, o tubo começa a se expandir em diâmetro e a se contrair em comprimento na direção axial - como um músculo. O tubo de borracha termina com rodapés metálicos em ambos os lados. Para controlar cada grau de mobilidade do robô, são utilizados dois desses atuadores de borracha. Um dos rodapés metálicos de cada acionamento é fixado de forma fixa, enquanto os demais são interligados por um cabo flexível lançado sobre uma polia. Esta polia está conectada a um dos elos do braço do robô. Quando a pressão em um dos atuadores aumenta, ele “encolhe”, e quando a pressão diminui na mesma proporção, o outro atuador “relaxa” (ou seja, alonga). Como resultado, o cabo se move, gira a polia e o braço do robô. Esse robô é controlado por um microcomputador. Seu baixo peso e flexibilidade o tornam inofensivo para os humanos. Devido à sua simplicidade, este robô pode ser utilizado para realizar diversas operações simples, como envernizar peças. Mais importante ainda, através da utilização de “músculos” de borracha preenchidos com ar comprimido, foi possível alcançar uma relação sem precedentes entre a massa do robô (6 kg) e a carga levantada (2 kg) - 3:1. Afinal, essa proporção costuma ser de 10:1 ou mais. Mas tal robô ainda está longe de ser uma pessoa. Lembre-se de que os levantadores de peso levantam pesos 2 a 2,5 vezes maiores que os seus. Portanto, é muito cedo para os projetistas de robôs se acalmarem! Quais são as perspectivas para o desenvolvimento do acionamento pneumático? Segundo a conhecida empresa FESTO (Áustria), o volume total de produção de atuadores pneumáticos na Europa, EUA e Japão em 1986 foi de 6,5 bilhões de marcos alemães. Esses recursos são suficientes para produzir 200.000 mil carros confortáveis de classe média! Nos países capitalistas desenvolvidos, muitas dezenas de grandes e pequenas empresas produzem equipamentos de acionamento pneumático da mais ampla gama. As maiores dessas empresas são FESTO, Wabco-Westinghouse (Alemanha), Martoier (Alemanha), Mekman (Suécia). A gama de elementos atuadores pneumáticos FESTO é de vários milhares de unidades, incluindo cilindros pneumáticos de vários tipos com diâmetros de 6 a 320 mm, curso de trabalho de vários milímetros a vários metros e equipamentos de controle de todos os tamanhos - com seções transversais para passagem de ar de 2,5 a 20 mm. Os países CMEA também produzem equipamentos de acionamento pneumático - na República Popular da Bielorrússia, na RDA e, sobretudo, na Hungria (produção conjunta com a empresa Mekman) - de uma vasta gama e de elevada qualidade. Vamos ver como está a produção e utilização do acionamento pneumático na indústria nacional. Não pode ser chamado de outra coisa senão deplorável. A produção centralizada de equipamentos de acionamento pneumático e o fornecimento de todos os ramos da engenharia mecânica com eles são realizados pelo Ministério da Indústria de Máquinas-Ferramenta. Apenas 4 empresas estão envolvidas na produção de equipamentos pneumáticos, e os cilindros pneumáticos para engenharia mecânica em todo o país são fabricados pela Fábrica de Equipamentos Pneumáticos Experimental (!?) Ordzhonikidze. Sua nomenclatura consiste em apenas 58 modelos de cilindros pneumáticos. Um pequeno número de motores pneumáticos rotativos e cilindros pneumáticos de longo curso para robôs industriais são fabricados pela Associação de Produção de Simferopol "Pnevmatika". Cilindros pneumáticos em miniatura e cilindros pneumáticos com freio não são fabricados por nenhuma empresa da Minstankoprom. No total, são produzidos 150 modelos de cilindros pneumáticos sem freio, sendo necessários 1000. Cilindros pneumáticos com freio requerem 1200 modelos. Existem apenas 4 modelos de motores pneumáticos rotativos e 24 são necessários (todos os valores fornecidos estão de acordo com VNIIgidropprivod, Kharkov). Alguns ramos da engenharia mecânica organizaram sua própria produção de atuadores pneumáticos. Assim, a fábrica de trens elétricos e vagões de metrô de Mytishchi produz cilindros pneumáticos para acionar as portas desses vagões. A indústria automotiva produz atuadores pneumáticos de diafragma para sistemas de freios de automóveis e acionamentos de portas de ônibus. Contudo, estes exemplos individuais não alteram o quadro geral. A qualidade das superfícies de atrito e das vedações de borracha dos equipamentos pneumáticos produzidos pela Planta Experimental Ordzhonikidzevsky e pela Associação de Produção Simferopol "Pnevmatika" é muito ruim. Isto leva a baixa confiabilidade e vida útil insuficiente do equipamento. E isso enquanto os cilindros pneumáticos produzidos na VNR proporcionam 50 milhões de cursos duplos, o que é suficiente para toda a vida útil de quase qualquer máquina! A situação com a produção de equipamentos de distribuição e controle, bem como de equipamentos de preparação de ar comprimido, não é melhor. Sua nomenclatura é muito restrita e a qualidade e confiabilidade (com exceção do equipamento do Pnevmoapparat de Moscou) são baixas. Tudo isso levou a uma utilização muito pequena do acionamento pneumático na indústria de engenharia nacional. O equipamento de acionamento pneumático em miniatura está especialmente ausente. Ao dominar a produção de novas máquinas sob licença de empresas estrangeiras, é necessário transferir para componentes nacionais, inclusive os do acionamento pneumático. Ao mesmo tempo, cada vez que o obstáculo é a falta do equipamento de acionamento pneumático nacional necessário, que precisa ser comprado no exterior com moeda estrangeira. O desenvolvimento acelerado da engenharia mecânica nacional e a criação de tecnologia de alto nível são impossíveis sem a criação de uma base moderna para a produção de todos os tipos de acionamentos, inclusive pneumáticos. Sem uma solução rápida e rápida para esta tarefa tão importante, a nossa engenharia mecânica não conseguirá avançar e tornar-se competitiva no mercado mundial. Motores pneumáticos lineares Cilindro pneumático de dupla ação
Cilindro pneumático de simples ação
Cilindro pneumomagnético sem haste
Cilindro pneumático sem haste
Cilindro pneumático de corda
Motor de ar de mangueira
Cilindro pneumático com frenagem
Cilindro pneumático rotativo
Cilindro pneumático de impacto
Motor de ar de câmara
Motores pneumáticos rotativos Pistão com cremalheira e pinhão
Portão (palheta)
Motores pneumáticos engrenagem
Palheta rotativa
Turbina
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