Cilindros pneumáticos: um tubo, um êmbolo e uma haste, e quase todo o movimento de uma fábrica

Camisa, êmbolo, haste, cabeçotes e vedações

Poucas peças, e cada uma com uma exigência de acabamento que não se vê a olho nu.

As vedações. São as peças que decidem a vida do cilindro. As de lábio são empurradas contra a parede pela própria pressão do ar: quanto mais pressão, mais vedam. Trabalham deslizando sobre uma película de graxa, com atrito baixo. Não toleram riscos na camisa, cantos vivos, nem funcionamento a seco.

Materiais de vedação. Poliuretano, o mais usado: resistente ao desgaste, para −20 a +80 °C. Borracha nitrílica, para uso geral. Fluorelastômero, para até 150 °C e para certos produtos químicos. Politetrafluoretileno, para atrito muito baixo e sem lubrificação. O material é escolhido pela temperatura e pelo ambiente.

O atrito. Toda vedação tem atrito, e ele tem duas faces. O atrito de partida, maior, que precisa ser vencido para o êmbolo sair do repouso. E o de movimento, menor. Em velocidades muito baixas, abaixo de 10 a 20 mm/s, o êmbolo avança aos trancos, parando e soltando: é o deslizamento intermitente. Cilindros comuns não servem para movimentos muito lentos e uniformes. Para isso, há cilindros de baixo atrito, ou o controle de velocidade por óleo.

A haste. É a única parte móvel exposta. Qualquer risco, batida ou respingo de solda na haste destrói a vedação a cada passagem. Protege-se com fole, em ambientes agressivos. E nunca se segura a haste com alicate ou morsa: usa-se o encaixe de chave que há na ponta.

Simples ação, dupla ação e as variantes

A diferença básica é quem faz a haste voltar: uma mola, ou o ar.

Simples ação: onde usar. Em movimentos curtos, de fixar, expulsar, travar, levantar, e sempre que a posição sem ar precisa ser definida. A mola ocupa espaço dentro do cilindro: para o mesmo curso, ele é mais comprido. E a força útil é a do ar menos a da mola, que cresce à medida que é comprimida.

Dupla ação: o caso geral. É o cilindro padrão. Como a haste ocupa parte da área do lado dianteiro, a área útil no recuo é menor, e a força de recuo, também: de 10 a 20 % menos, conforme o diâmetro. A velocidade de recuo, com a mesma vazão, é um pouco maior.

A posição sem ar. Um cilindro de dupla ação, se a alimentação é cortada e as câmaras ficam fechadas, permanece onde está, apoiado no ar preso. Se as câmaras são abertas para a atmosfera, fica solto: uma carga vertical desce. Em eixos verticais, usam-se válvulas de retenção pilotadas, que prendem o ar, ou cilindros com trava de haste, um freio mecânico que agarra a haste quando a pressão some. Assunto da aula 19.

Anti-giro. A haste de um cilindro comum gira livremente em torno do eixo. Se o que está preso a ela não pode girar, usa-se cilindro com haste não circular, com guia externa, ou guiado.

Case real · Nova York, 26 de fevereiro de 1870

Debaixo da avenida mais movimentada da cidade, sem que a prefeitura soubesse, um editor de revista científica mandou escavar, à noite, um túnel de cem metros. Dentro dele, pôs um vagão redondo, forrado de veludo, para vinte e dois passageiros. Em uma das pontas, um ventilador do tamanho de uma casa. O vagão não tinha motor nem rodas motrizes. Era empurrado pelo ar, como um êmbolo dentro de um cilindro. Em um ano, quatrocentas mil pessoas pagaram para fazer a viagem

Em 1870, Nova York era sufocada pelo trânsito de carroças e de bondes puxados por cavalos. Falava-se em trens subterrâneos, como os de Londres, movidos a vapor, com a fumaça que isso implicava. Alfred Ely Beach, inventor e editor de uma revista de divulgação científica, defendia outra solução: o transporte pneumático.

Beach havia demonstrado a ideia em uma feira, com um tubo suspenso. Para a versão subterrânea, obteve uma licença para construir um pequeno tubo de correio pneumático sob a Broadway. O que construiu, em segredo, removendo a terra pelo porão de uma loja, foi bem maior: um túnel cilíndrico de tijolos, com cerca de 2,4 metros de diâmetro e pouco menos de 100 metros de comprimento, com uma estação luxuosa, com fonte e piano.

O vagão tinha seção circular, ajustada à do túnel, com folga de poucos centímetros. Era, literalmente, um êmbolo. Na extremidade da linha, uma sala abrigava um soprador de lóbulos enorme, movido a vapor, do tipo apresentado na aula 3. Soprando ar para dentro do túnel, o soprador criava, atrás do vagão, uma pressão ligeiramente acima da atmosférica: uma fração de quilopascal. Aplicada sobre os quase cinco metros quadrados da face do vagão, bastava para movê-lo. No fim da linha, o vagão acionava um cabo, o soprador invertia o sentido, passava a aspirar, e o vagão era puxado de volta.

A linha foi aberta ao público em 26 de fevereiro de 1870. Era uma demonstração, sem destino: ia-se e voltava-se. No primeiro ano, registrou cerca de 400 mil passageiros.

Beach pediu autorização para estender o sistema por quilômetros. A proposta ficou presa em disputas políticas com os controladores dos bondes de superfície, e, quando finalmente foi aprovada, a crise financeira de 1873 secou os recursos. O túnel foi fechado e esquecido. Em 1912, operários que construíam uma linha de metrô romperam uma parede, e encontraram o túnel, o vagão e os restos da escavadeira.

A ideia tinha limites que a engenharia da época já apontava. Vedar um túnel de quilômetros, com estações e desvios. A enorme quantidade de ar a mover. E o fato de que cada vagão ocupava a linha inteira.

A lição: o vagão de Beach é um cilindro pneumático em escala de rua, e mostra a relação central desta aula e da próxima: força é pressão vezes área. Com uma área de vários metros quadrados, uma pressão minúscula move toneladas. Em um cilindro industrial, a área é de centímetros quadrados, e por isso se trabalha a 6 bar. Mostra também as duas maneiras de fazer um êmbolo voltar: inverter o lado em que a pressão age, como no cilindro de dupla ação, com o soprador fazendo o papel da válvula direcional. E o problema que limita todo cilindro longo: a vedação entre o êmbolo e o tubo, que no vagão era apenas uma folga, com vazamento tolerado. Em um cilindro, ela é uma peça de poliuretano, com tolerância de centésimos.

Fontes: nycsubway.org, Beach Pneumatic Transit (túnel feito em 58 dias, aberto em 26/02/1870); Scientific American, The First Subway in New York City Was a Cylindrical Car Pushed by Air; A. E. Beach, The Pneumatic Tunnel Under Broadway, Scientific American, 05/03/1870, p. 154

Peça 3D · realidade aumentada

O cilindro de simples ação, em corte

Cilindro de 32 mm com mola de retorno: uma conexão de ar só, e um respiro do lado da mola. Gire, toque nos números e veja ele funcionando.

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Amortecimento, velocidade e energia

Um êmbolo com carga, a um metro por segundo, tem de parar em poucos milímetros. Se parar contra a tampa, a tampa não dura.

Três soluções, em ordem de capacidade.

• Batentes elásticos: anéis de borracha ou de poliuretano nos dois lados do êmbolo, que amassam ao bater. Absorvem pouco: cilindros pequenos, massas leves, velocidades baixas.
• Amortecimento pneumático regulável: um colchão de ar, formado dentro do próprio cilindro nos últimos 15 a 30 milímetros do curso. É o padrão dos cilindros normalizados.
• Amortecedor externo: um amortecedor hidráulico, montado na estrutura, contra o qual a carga bate. Absorve dezenas a centenas de vezes mais.

O ajuste. O parafuso de amortecimento, em cada cabeçote, é regulado com a carga e a velocidade reais. Fechado demais: o êmbolo quica, volta alguns milímetros, e demora a encostar. Aberto demais: bate com estalo metálico. O ajuste certo é o que faz o êmbolo chegar ao fim sem ruído de pancada e sem recuar. Muitos cilindros recentes têm amortecimento autoajustável, sem parafuso.

Capacidade. Cada cilindro tem um limite de energia que o amortecimento absorve, indicado no catálogo, em joules, e que cresce com o diâmetro. Acima dele, reduz-se a velocidade, ou usa-se amortecedor externo.

Velocidade. Cilindros comuns trabalham entre 0,1 e 1,5 m/s. A velocidade depende da vazão de ar que a válvula e os tubos conseguem fornecer e escoar, e é ajustada por válvulas reguladoras de fluxo, assunto da aula 11. Acima de 1 m/s, a vida das vedações cai, e o amortecimento passa a ser o limite.

A velocidade não é constante. Um cilindro acelera no início, pode atingir uma velocidade de regime, e desacelera no amortecimento. Em cursos curtos, nunca chega a uma velocidade estável. A velocidade média, curso dividido pelo tempo, é cerca de metade a dois terços da máxima.

Fixações, carga lateral, sensores e normas

A maioria dos cilindros que falham cedo foi bem escolhida, e mal montada.

A ponta da haste. Liga-se à carga por um acessório rosqueado: garfo, olhal com rótula, ou acoplamento flutuante. O acoplamento flutuante e a rótula compensam pequenos desalinhamentos entre o eixo do cilindro e a trajetória da carga. Sem eles, qualquer erro de montagem vira força lateral na haste.

Carga lateral. O cilindro foi projetado para empurrar e puxar ao longo do eixo. Uma força perpendicular à haste é suportada só pela bucha de guia e pelo êmbolo, com um braço de alavanca que cresce com o curso. O resultado é desgaste de um lado só da bucha e das vedações, vazamento, e, no limite, haste empenada. As causas mais comuns: carga em balanço, pendurada na ponta da haste. Cilindro fixado rigidamente, com a carga guiada por uma guia não paralela. E peso próprio de um cilindro longo, na horizontal, apoiado só em uma ponta.

As regras de montagem.

• Alinhar o cilindro com a trajetória da carga, ou dar-lhe liberdade para se alinhar: articulação atrás, rótula na frente.
• Guiar a carga por guias próprias. O cilindro empurra. Não guia.
• Em cursos longos, apoiar o corpo, ou usar munhão central.
• Parar a carga em batentes externos, quando a posição final é crítica, e não na tampa do cilindro.
• Não usar a haste como degrau, nem como ponto de içamento.

Sensores de posição. O êmbolo leva um ímã em anel. Sensores presos por fora, na ranhura do perfil ou nos tirantes, detectam a passagem do campo magnético através da parede de alumínio.

• De contato de lâminas: duas lâminas metálicas, em uma ampola de vidro, que se tocam com o campo magnético. Simples, funcionam em corrente contínua ou alternada. Têm contato mecânico, que se desgasta.
• De estado sólido: um elemento eletrônico sensível ao campo. Sem partes móveis, mais rápidos e duráveis. Com saída de três condutores.

Os sensores informam ao comando que o cilindro chegou ao fim do curso, e são a base das sequências automáticas, a partir da aula 15. Em circuitos puramente pneumáticos, a mesma função é feita por válvulas de rolete, acionadas mecanicamente por um came na haste ou na carga.

Para que serve a norma. Um cilindro normalizado de 50 mm de diâmetro e 200 mm de curso tem as mesmas dimensões de fixação, de qualquer fabricante. Na manutenção, troca-se por outro, de outra marca, sem refazer a máquina. No projeto, não se fica preso a um fornecedor.

Como se especifica um cilindro. Tipo e norma. Diâmetro do êmbolo. Curso. Amortecimento. Com ou sem ímã. Tipo de fixação. Acessório da haste. Material das vedações, se o ambiente exigir. Os cursos também são padronizados: 25, 50, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500 mm, com outros sob encomenda.

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O primeiro modo confere o amortecimento. O segundo calcula a força de um cilindro com mola. O terceiro estima a vida. O quarto escolhe o diâmetro. O quinto classifica tipos. O sexto apresenta diagnósticos. O sétimo sorteia contas.

Quatro erros com cilindros

Nenhum é defeito de fabricação. São de montagem e de regulagem.

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