Contexte physique, hydraulique et biologique

Trata-se do item de maior importância no reprojeto da furadeira hi- dráulica. Inicialmente será descrito o funcionamento do modelo original, para depois apresentar as soluções obtidas a partir da análise de compo- nentes hidráulicos e informações da literatura.

Os conceitos de circuitos hidráulicos são desenvolvidos a partir da estrutura funcional previamente selecionada, assim como a partir da análise de concepções existentes no controle de vazão.

3.3.4.1 Modelo original

No modelo original, em que o circuito simplificado alimentado por uma fonte de vazão é apresentado na Figura 3.11, o controle de vazão realiza-se via sangria ou by-pass. Este controle é realizado com o uso uma válvula com assento cônico (1V1) localizada entre a linha de su- primento e retorno e de uma válvula de retenção (1V2) montada em série com o motor hidráulico (1M1). Esta válvula de retenção atua de forma análoga a uma válvula de alívio, mantendo fechada a linha do motor hidráulico quando a válvula de controle está aberta.

1V2

1M1

1V1

CARGA

Figura 3.11: Circuito hidráulico simplificado do modelo original e da concepção I.

Regulando-se a abertura do orifício da válvula de controle (1V1), altera-se a pressão a montante da mesma (pressão da linha de suprimen- to). Quando a pressão na linha de suprimento for o suficiente para abrir a válvula de retenção (1V2), parte do fluido escoa através do motor, movimentando o eixo do motor, que em serviço gera uma carga. A prin-

cipal desvantagem existente nesta configuração é a perda de carga exis- tente na válvula de retenção (1V2), pois quando o motor estiver aciona- do, existe uma dissipação energética constante nesta válvula.

3.3.4.2 Concepção I

Uma primeira concepção a ser analisada utiliza do mesmo circuito do modelo original, com modificações na válvula de retenção e na área máxima do orifício de controle como forma de se obter uma redução da pressão de abertura e, consequentemente, a diminuição da perda energé- tica e melhoria da eficiência do conjunto.

Esta redução da pressão de abertura da válvula de retenção obtém- se a partir do aumento de área na máxima abertura da válvula de contro- le e modificando-se a pré-carga da mola da válvula de retenção, a qual causa uma menor diferença de pressão na válvula de assento quando está totalmente aberta.

Desta forma, como se diminui a perda de carga na válvula de con- trole na máxima abertura com o aumento da área de passagem na condi- ção inicial de funcionamento, a pressão na linha de suprimento também será menor. Consequentemente a pressão necessária para a abertura da válvula de retenção pode ser menor que a do modelo atual, já que a mesma consegue manter o motor desligado na condição inicial de fun- cionamento.

Assim conclui-se que com a redução da pressão necessária para a abertura, a dissipação energética não será somente menor quando o e- quipamento estiver em sua condição inicial, de motor desligado. Esta redução da dissipação energética também ocorrerá durante o funciona- mento do motor, uma vez que nesta condição também ocorre a perda de carga devido ao escoamento pela válvula de retenção.

3.3.4.3 Concepção II

A segunda concepção baseia-se na idéia de manter uma queda de pressão constante na válvula de controle, que resulta em um controle melhor na rotação da furadeira. Assim torna-se interessante analisar as válvulas consideradas reguladoras de pressão.

A válvula reguladora de pressão, ao contrário da válvula limitadora de pressão, é uma válvula normalmente aberta, regulando a pressão a jusante da mesma. Essas válvulas tem como função básica ajustar e manter constante a pressão em uma parte do sistema hidráulico em um valor inferior a pressão existente na saída da unidade de conversão pri-

mária. Esta redução de pressão é resultante da perda de carga obtida a partir de um orifício de controle, controlado por meio de uma realimen- tação da pressão de saída (LINSINGEN, 2008).

Sob esta ótica, observa-se o funcionamento de uma válvula de con- trole de vazão de três vias, vista na Figura 3.12. Esta válvula tem como característica possuir o compensador de pressão representado pelo orifí- cio “Ar” montado em paralelo com a válvula redutora de vazão (A0).

Esta válvula desvia o excedente de vazão fornecido pela linha de supri- mento para a linha de retorno (qR) de acordo com a relação da pressão

de suprimento (ps) e da pressão de carga (pc), sendo esta a terceira via

(LINSINGEN, 2008).

Figura 3.12: Válvula de controle de vazão de três vias. (LINSINGEN, 2008)

Com base nesta configuração de válvula, desenvolve-se o princípio de solução apresentado na Figura 3.13. Neste, a válvula de controle (2V1) atua diretamente no controle do motor hidráulico e a outra válvula atua como uma balança de pressão (2V2). Esta balança de pressão tem sua a abertura pilotada pela pressão da linha de suprimento, e o fecha- mento pilotado pela pressão da linha de carga e por uma mola, cuja pré- carga é correspondente a diferença de pressão entre a linha de suprimen- to e linha de carga.

Desta forma, quando a furadeira está com a válvula de controle do motor fechada, a válvula compensadora de pressão permanece aberta, havendo assim uma ligação entre a via de suprimento e a via de retorno

da furadeira hidráulica. Quando a válvula de controle estiver aberta, a válvula compensadora de pressão tende a fechar de modo a manter uma diferença de pressão constante na válvula de controle, possibilitando um controle melhor sobre a vazão para o motor.

2V2

2M1

2V1

CARGA

Figura 3.13: Sistema hidráulico simplificado para a segunda con- cepção.

As vantagens encontradas no uso deste tipo de solução são: • Pode ser utilizada para uma ampla faixa de vazão;

• Consegue manter uma rotação constante independente da vazão da bomba, exceto quando a vazão for acima da capacidade da válvula compensadora de pressão, o que está relacionado com a diferença de pressão que esta causa;

Como desvantagens, podem-se citar as seguintes:

• Projeto com maior quantidade de peças, partes móveis e canais internos, aumentando substancialmente o custo de fabricação; • Pode haver uma perda de carga excessiva na balança de pressão,

reduzindo sua eficiência;

• Pode ocorrer instabilidade no funcionamento quando ocorrem va- riações bruscas no torque do motor.

3.3.4.4 Concepção III

A terceira solução de acionamento baseia-se no próprio modelo o- riginal, porém desta vez sem o uso de uma válvula de retenção. Neste caso, a idéia básica é controlar a abertura da porta para o motor por in-

termédio do próprio carretel da válvula de controle e não mais pela vál- vula de retenção.

Para esta solução, ainda existem as desvantagens de não conseguir manter a rotação constante quando ocorrem variações na carga do motor hidráulico, porém a maior vantagem está na eliminação de uma grande fonte de dissipação energética do sistema, que é a válvula de retenção.

Apresenta-se na Figura 3.14 o diagrama hidráulico simplificado pa- ra esta solução, no qual se percebe que conforme a válvula de controle liga a linha de suprimento para a linha do motor regula a abertura do orifício para a linha de retorno, fazendo a sangria. Deslocando-se este carretel acarreta em um aumento da perda de carga no orifício de contro- le, o que ocasiona a elevação da pressão na linha de suprimento até o ponto em que se torna possível movimentar o motor hidráulico. Neste caso, quando a válvula de controle é totalmente acionada, a pressão de suprimento é decorrente da carga existente no motor hidráulico, além das perdas de carga que acercam todo o componente.

3M1

3V1

Figura 3.14: Circuito hidráulico simplificado para a solução III.