Dominando Válvulas Eletro-hidráulicas: Princípios Fundamentais de Design

Os fundamentos das válvulas eletro-hidráulicas são fáceis de entender — são válvulas operadas eletricamente que controlam como o fluido hidráulico é enviado aos atuadores. No entanto, para aplicar válvulas eletro-hidráulicas para sistemas hidráulicos eficientes e eficazes, projetistas devem considerar vários fatores. Este artigo explorará sete considerações-chave de design para aplicação de válvulas eletro-hidráulicas.

1. Válvulas Liga/Desliga vs Proporcionais

Válvulas liga/desliga são basicamente os interruptores liga/desliga para sistemas hidráulicos. Válvulas liga/desliga são tipicamente usadas em aplicações onde controle preciso de posição ou velocidade não é requerido. Válvulas proporcionais oferecem controle mais variável de taxas de fluxo para sistemas hidráulicos.

Estas válvulas são tipicamente usadas em aplicações onde mais controle é requerido além de uma válvula de controle direcional padrão. Algumas aplicações que pedem controle de taxa de fluxo variável onde válvulas proporcionais brilham incluem controle de passo de turbinas eólicas, processamento de madeira, ferramentas de máquina e conformação de metais. Se tempo e/ou posicionamento específico é requerido, pense proporcional.

2. Eletrônica Embarcada vs Externa

Determinar se uma válvula com eletrônica embarcada ou externa é a melhor escolha requer uma avaliação aprofundada da aplicação. Geralmente, eletrônica embarcada é usada para localizar controle na válvula e simplificar a fiação no controlador. Eletrônica externa é frequentemente utilizada em áreas com alta vibração e temperaturas que podem reduzir o desempenho da eletrônica.

Acionar uma válvula de eletrônica externa requer uso de um módulo eletrônico que pode ser configurado para parâmetros personalizados como corrente de acionamento do solenoide desejada e taxas de rampa. Válvulas de eletrônica embarcada podem ser comandadas diretamente com um comando padrão incluindo 4-20 mA ou ±10 VDC e vazão para o mesmo nível de personalização.

3. Controle Malha Aberta vs Malha Fechada

Existem duas opções de controle para sistemas hidráulicos: malha aberta e malha fechada. Em termos gerais de livro didático, um sistema de malha aberta não pode compensar distúrbios que alteram o sinal de acionamento do controlador. Sistemas de malha fechada não têm esta deficiência; distúrbios no sistema são compensados medindo a resposta de saída e comparando-a à entrada. Se há uma diferença observada (conhecida como sinal de erro), o erro é realimentado ao controlador para ajustar a saída ao valor desejado.

Por exemplo, existem válvulas operadas por solenoides proporcionais que não fecham internamente a malha em torno do carretel. Elas são usadas para aplicações de aceleração e dosagem.

Outras válvulas fecham a malha internamente em torno da posição do carretel mas podem ser integradas em um sistema de malha fechada. O erro no sistema é medido por um transdutor; ou seja, um sensor de posição ou velocidade em um atuador, um transdutor de pressão, ou um medidor de vazão para precisão ainda maior. Válvulas servohidráulicas operando em sistemas de controle de malha fechada são projetadas para usar baixa potência e realimentação mecânica para fornecer controle preciso.

Parâmetros que devem ser considerados ao especificar sistemas de controle malha aberta e fechada incluem:

• Histerese: A diferença na saída medida entre comando crescente e decrescente.

• Resposta a degrau: O tempo requerido do comando inicial até quando a válvula estabiliza na saída desejada.

• Resposta de frequência: A velocidade máxima na qual uma válvula pode operar com precisão.

• Vazamento interno: Fluxo de bypass inerente a válvulas de carretel devido a folgas mecânicas.

• Capacidade de vazão: A quantidade de fluido que pode passar através da válvula.

4. Dimensionamento de Carretéis

Carretéis de válvulas proporcionais são tipicamente classificados para vazão nominal a uma pressão diferencial de 10 bar, enquanto carretéis de válvulas servo são tipicamente classificados para vazão nominal a uma pressão diferencial de 70 bar. Carretéis de medição igual fornecem fluxo simétrico para cada porta de trabalho. Isso pode ser útil ao acionar um motor ou cilindro de haste dupla com áreas efetivas iguais. Carretéis de medição igual resultarão em velocidade reduzida durante retração de um cilindro de haste simples devido à área diferencial entre a haste e o pistão.

Carretéis de razão fornecem fluxo assimétrico entre as portas de trabalho; o mais comumente usado é um design de razão 2:1. Quando usado para acionar um cilindro de razão 2:1, por exemplo, velocidade igual será alcançada entre extensão e retração do cilindro devido ao casamento das áreas desbalanceadas. Recomenda-se dimensionar válvulas proporcionais o menor possível para controlar a carga. Para manter controle, contrapressão contra a carga deve ser exercida em todos os momentos. Uma regra geral é selecionar um carretel que usará 90-95 por cento da classificação de vazão máxima. Selecionar um carretel com capacidade de vazão muito grande pode resultar em instabilidade do sistema.

5. Compostos de Vedação

Ao selecionar o composto para vedações elastoméricas em qualquer válvula de controle direcional, consulte os recursos do fabricante para informações de compatibilidade de fluido e composto. Aplicações industriais padrão usando óleo mineral tipicamente usarão uma vedação de nitrila, que também é recomendada ao controlar glicol-água.

Aplicações envolvendo temperaturas elevadas ou fluidos menos comumente usados podem utilizar um dos muitos graus de vedação de fluorocarbono. Em caso de dúvida, consulte a fábrica para assistência na seleção de um composto de vedação.

6. Circuitos Regenerativos e Funções Híbridas

Um circuito regenerativo roteia fluido evacuado da extremidade da haste de um cilindro de volta para a extremidade do pistão em vez de para o tanque para aceleração da extensão do atuador. O uso de um circuito regenerativo pode permitir que um projetista de sistema use uma bomba menor para alcançar requisitos de design quando movimento rápido é necessário em apenas uma direção. Válvulas de controle direcional regenerativas para controle liga/desliga e proporcional (código de fluxo R) permitem que projetistas de sistema atinjam função regenerativa sem a necessidade de adicionar válvulas adicionais ao circuito.

Válvulas regenerativas híbridas oferecem aos projetistas de sistema a capacidade de habilitar controle regenerativo através de um sinal elétrico separado do sinal de comando. Ao utilizar controle regenerativo, força é sacrificada por velocidade. A função híbrida (código de fluxo Z) permite que projetistas selecionem entre a função hidráulica padrão para construir força e função regenerativa para acelerar a carga rapidamente.

7. Padrões de Montagem

Configurações de montagem para válvulas eletro-hidráulicas são guiadas por padrões NFPA/ISO — designações de séries D03, D05, D07, D08 e D10 indicarão conformidade com os padrões. Válvulas pilotadas são mais estáveis em uma ampla faixa de vazões e permitem que sistemas operem com maior capacidade de vazão. Frequentemente, a pressão de piloto hidráulica usada para controlar o carretel do estágio principal fornece maior força que a de um solenoide em uma válvula de acionamento direcional, resultando em desempenho mais previsível para o usuário.

Conclusão

Existem muitos recursos disponíveis para engenheiros de design ao especificar componentes para sistemas: folhas de referência, calculadoras, ferramentas de configuração e mais. No entanto, não há substituto para experiência e conhecimento profundo de aplicação.

Aproveite a experiência de "já estive lá e vi isso" que os engenheiros de aplicação do seu fornecedor podem oferecer. Não apenas eles entendem como os componentes que sua empresa oferece performam, mas também têm o benefício de ter ajudado outros na mesma situação a corrigir erros de design e resolveram problemas para algumas das aplicações mais únicas.

Este artigo foi escrito por Matthew Davis, gerente de vendas de produto; Mitch Eichler, engenheiro de aplicações; e Tom Gimben, gerente de vendas de produto na Parker Hannifin Corp., Divisão de Válvulas Hidráulicas, Elyria, OH. Para mais informações, visite aqui.