Servo Hidraulico

3 Descrio Geral de Sistemas ServoHidrulicos

3.1.Estrutura bsica de sistemas servohidrulicos

Um sistema servo-hidrulico um arranjo de componentes individuais, conectados entre si que provem uma forma desejada de transferncia hidrulica. A estrutura bsica de sistemas servo-hidrulicos consiste de:

Fonte de potncia hidrulica;

Elementos de controle (vlvulas, sensores, etc.); Elementos de atuao (cilindros e/ou motores); e Outros elementos (tubulao, dispositivos de medio, etc.).

O conceito bsico de um sistema servo-hidrulico controlado por uma vlvula padro descrito da seguinte forma:

A bomba converte a potncia mecnica disponvel do seu motor em potncia hidrulica para o atuador.

As vlvulas so usadas para controlar a direo do fluxo da bomba, o nvel da potncia produzida, e a quantidade de fluido e presso sobre o atuador. Um atuador linear (cilindro) ou atuador rotativo (motor) converte a potncia hidrulica em potncia mecnica usvel no ponto requerido.

O meio, que um lquido, fornece a transmisso e o controle direto, e tambm lubrifica os componentes, sela as vlvulas e refrigera o sistema.

Os conectores, que ligam os vrios componentes dos sistemas, dirigem a potncia do fluido sob presso, e o retorno do fluido ao tanque.

Finalmente, o reservatrio de fluido assegura sua qualidade e quantidade, e o refrigera.

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3.2.Descrio dos componentes

3.2.1.Vlvula Hidrulica

A vlvula hidrulica usada comumente dentro de sistemas hidrulicos para a modulao e controle do sistema. Dentro de um sistema hidrulico controlado por vlvulas, a vlvula fornece a interface entre os elementos de potncia hidrulica, por exemplo, a bomba, e os dispositivos de sada hidrulica, que um atuador linear ou rotativo. Dentro desses circuitos, a vlvula hidrulica o dispositivo que recebe a realimentao do operador ou outra fonte automtica de controle, e conseqentemente ajusta a sada do sistema. Esta realimentao usada para fornecer uma sada controlvel para o circuito ou fornecer uma funo de segurana que seja necessria ao trabalhar com dispositivos de potncia elevada, vide Figura 3.1.

Figura 3.1. Vista em corte de uma servo-vlvula hidrulica.

Estator Superior Im

Armadura

Bocal

Agulha Flexvel

Carretel

Filtro

Tubo Flexvel

Estator Inferior Flapper

Orifcio Interno


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3.2.1.1.Tipos de Vlvula

As vlvulas de controle hidrulico podem ser classificadas de muitas formas, porm a classificao geral baseia-se no nmero de linhas de fluxo conectadas na vlvula. Por exemplo, uma vlvula bidirecional tem uma entrada nica e s uma sada, com duas linhas de fluxo. A vlvula de trs estados tem uma nica entrada dada pela linha da fonte, uma linha de sada, e uma linha de retorno ao reservatrio. Tambm, as vlvulas podem ser classificadas pelo tipo de construo, ou pelo tipo de funo, que so vlvulas de controle direcional, vlvulas de controle de fluxo e vlvulas de controle de presso.

3.2.1.2.Tipos de Centro

O disco do spool define a largura das regies relativas largura dos canais nos furos da vlvula. Tm-se trs possveis configuraes de discos (vide a Figura 3.2). Se a largura do disco for menor que o canal na bucha da vlvula, conhecido como centro aberto ou Underlap. As vlvulas sobrepostas ou de centro fechado tm uma regio maior que a largura do canal quando o cilindro est no ponto neutro. Assim, a presso do sistema impedida de se alterar durante o cruzamento. Este tipo de vlvulas podem causar folgas e picos indesejveis de presso.

As vlvulas de centro crtico ou zero lapped tm uma regio idntica largura do canal, o que uma condio para se aproximar a uma mquina ideal. A maioria das servo-vlvulas comerciais disponveis so de centro critico para garantir um curva linear do sinal do fluxo [1].


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Figura 3.2. Definio de tipos de centros e seus grficos de sinais de fluxo e curvas de fluxo de escoamento correspondentes.

3.2.1.3.Operao

Um comando de sinal eltrico aplicado s bobinas da servo-vlvula, e cria uma fora magntica que atua sobre o final da armadura, provocando um torque. Essa rotao provoca uma deflexo do tubo conhecido como deslizamento da armadura/flapper. A deflexo do flapper restringe o lquido que vaza atravs de um furo e que carregado completamente a uma extremidade do spool, deslocando-o. O movimento do spool conecta o canal da fonte de presso (Ps) a um canal de controle, e simultaneamente abre o canal do tanque (T), que outro canal de controle.

Canal Spool da vlvula

Centro aberto Centro crtico Centro fechado

Regio Overlap

Regio Underlap

Tipos de Centro

Sinais de fluxo

Fluxo de escoamento


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A movimentao do spool tambm aplica uma fora mola, criando um torque de realimentao sobre a armadura/flapper. Se o torque de realimentao for igual ao torque das foras magnticas, a armadura/flapper movimenta-se at uma posio centrada, e o spool est aberto em um estado de equilbrio at que o comando de sinal eltrico o mude a um novo nvel. Em resumo, a posio do spool proporcional corrente de entrada e, para uma presso constante atravs da vlvula, a vazo e a carga so proporcionais posio do spool. Na seguinte Figura observa-se o modo de operao da servo-vlvula.

Figura 3.3. Modo de operao da servo-vlvula quando aplicado um sinal eltrico.

Resposta da vlvula a uma mudana de sinal eltrica

Fluido escoando ao atuador


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3.2.1.4. Analise Dinmica da Servo-vlvula

As servo-vlvulas so dispositivos complexos e tm algumas caractersticas no-lineares que so significativas em sua operao. Essas no-linearidades incluem: histerese eltrica do torque do motor, mudanas na sada do torque do motor com deslocamento, mudanas na impedncia do orifcio do fluido com fluxo e caractersticas do fluido, mudanas no coeficiente de descarga do orifcio em funo da presso, atrito de deslizamento do cilindro e outras.

A experincia mostra que essas caractersticas no ideais e no-lineares limitariam a utilidade da anlise terica da dinmica da servo-vlvula no projeto de sistemas. A representao analtica da dinmica da servo-vlvula usada durante o projeto preliminar de uma nova configurao. Um anlise mais elaborada da resposta da servo-vlvula tem sido desenvolvida pela MOOG, incluindo estudos computacionais que incluem efeitos no-lineares e at oito ordens dinmicas. Esta anlise tem sido usada para reduzir a funo de transferncia sua forma mais simples que represente a servo-vlvula.

3.2.2.Bombas e Atuadores

3.2.2.1.Bombas

As bombas hidrulicas so dispositivos que convertem energia mecnica em energia hidrulica. As bombas so acionadas normalmente atravs de rotao. As bombas hidrulicas industriais so construdas em uma variedade de tamanhos, formas e mecanismos de bombeamento, e so geralmente de deslocamento de tipo positivo. O deslocamento (ou fluxo de sada) o volume do lquido hidrulico que transportado atravs da bomba em uma nica rotao do eixo.

3.2.2.2.Atuadores

Os atuadores hidrulicos so dispositivos que convertem a energia hidrulica proveniente da bomba e processada pelos elementos de controle (por exemplo, vlvulas) em trabalho til (potncia e energia mecnica, respectivamente). Os atuadores tm uma sada linear (cilindros, macaco) ou uma


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sada giratria (atuador rotatrio ou motores).

Um dos clssicos componentes do sistema hidrulico o atuador linear, comumente conhecido como cilindro hidrulico. Os cilindros so usados para converter potncia hidrulica em fora mecnica linear ou movimento. H dois tipos de atuadores lineares, um deles permite a aplicao da fora hidrulica em apenas uma direo, e o outro em ambos os sentidos. Todos os atuadores lineares hidrulicos tm um volume preenchido por fluido contido dentro do corpo do dispositivo, o tubo ou o tambor, e um componente que os movimenta dentro do cilindro chamado pisto ou haste do pisto, chamado prolongamento. Nos dispositivos mais simples o pisto uma haste cilndrica que transmite a fora da sada diretamente carga, mostrada esquematicamente na Figura 3.4.

Figura 3.4. Vista em corte de um cilindro hidrulico [4].

Final da haste do pisto

Mancal

Amortecedor

Porto de cancelamento Vedao de baixa presso

Vedao de alta presso

Vedao de baixa presso

Porto de drenagem

Amortecedor

Selo hidrulico do Pisto

Porto de extenso

Mancal

Haste do pisto


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3.3. Sensores / Transdutores

3.3.1.LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

Os LVDT so sensores para medio de deslocamento linear. O funcionamento deste sensor baseado em trs bobinas e um ncleo cilndrico de material ferromagntico de alta permeabilidade. A bobina central chamada de primria e as demais so chamadas de secundrias. O ncleo preso no objeto cujo deslocamento deseja-se medir, e a movimentao dele em relao s bobinas da como sada um sinal linear, proporcional ao deslocamento.

Figura 3.5. Vista em corte de um LVDT.

Para esta medio, uma corrente alternada aplicada na bobina primria, fazendo com que uma tenso seja induzida em cada bobina secundria proporcionalmente indutncia mtua com a bobina primria. A freqncia da corrente alternada est geralmente entre 1 e 10 kHz. De acordo com a

Carcaa de ao inoxidvel e coberta finais

Ncleo

Montagem da Bobina

Ncleo

Casquilho magntico de alta permeabilidade

Vidro de alta densidade recheado de polmero em forma de bobina

Ncleo de nquel ao de alta permeabilidade

Encapsulado de epxi Espiralado

secundrio

Furo roscado (ambas as extremidades)


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movimentao do ncleo, esta indutncia mtua muda, fazendo com que as tenses nas bobinas secundrias mudem tambm. As bobinas so conectadas em srie reversas (vide Figura 3.6), dessa forma a tenso de sada a diferena entre as duas tenses secundrias. Quando o ncleo est na posio central eqidistante em relao s duas bobinas secundrias, tenses opostas da mesma amplitude so induzidas nestas duas bobinas; assim, a tenso de sada nula.

Quando o ncleo movimentado em uma direo, a tenso em uma das bobinas secundrias aumenta enquanto a outra diminui, fazendo com que a tenso aumente de zero para um mximo. Esta tenso est em fase com a tenso primria. Quando o ncleo se move em outra direo, a tenso de sada tambm aumenta de zero para um mximo, mas sua fase oposta fase primria. A amplitude da tenso de sada proporcional distncia movida pelo ncleo (at o seu limite de curso), sendo por isso a denominao linear para o sensor. Assim, a fase da tenso indica a direo do deslocamento.

Como o ncleo no entra em contato com o interior do tubo, ele pode mover-se livremente, quase sem atrito, fazendo do LVDT um dispositivo de alta confiabilidade. Alm disso, a ausncia de contatos deslizantes ou girantes permite que o LVDT esteja completamente selado e isolado das condies do ambiente.


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Figura 3.6. Representao eltrica de um LVDT.

3.3.2.Clulas de carga

O princpio de funcionamento das clulas de carga baseia-se na variao da resistncia hmica de um sensor denominado extensmetro ou strain gage, quando submetido a uma deformao. Utilizam-se comumente em clulas de carga quatro extensmetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone, e o desbalanceamento da mesma, em virtude da deformao dos extensmetros, proporcional fora que a provoca. atravs da medio deste desbalanceamento que se obtm o valor da fora aplicada.

Os extensmetros so colados a uma pea metlica (e.g. alumnio, ao ou liga cobre-berlio), denominada corpo da clula de carga e inteiramente solidria sua deformao, vide Fig. 3.7. A fora atua por tanto sobre o corpo da clula de carga, e a sua deformao transmitida aos extensmetros, que por sua vez mediro sua intensidade.

Obviamente que a forma e as caractersticas do corpo da clula de carga devem ser objeto de um meticuloso estudo, tanto no seu projeto quanto na sua

Primrio

Secundrio

V0=v1-v2

V2

Secundrio

V1

Diferena de Voltagem

N C L E O

Oscilador


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execuo, visando assegurar que a sua relao de proporcionalidade entre a intensidade da fora atuante e a conseqente deformao dos extensmetros seja preservada tanto no ciclo inicial de pesagem quanto nos ciclos subseqentes, independentemente das condies ambientais. A forma geomtrica, portanto, deve conduzir a uma linearidade dos resultados. Considerando-se que a temperatura gera deformaes em corpos slidos e que estas poderiam ser confundidas com a provocada pela ao da fora a ser medida, h necessidade de se compensar os efeitos de temperatura atravs da introduo, no circuito de Wheatstone, de resistncias especiais que variem com o calor de forma inversa dos extensmetros. Um efeito normalmente presente no ciclo de carregamento, e que deve ser controlado com a escolha conveniente da liga da matria-prima da clula de carga, o da histerese decorrente de trocas trmicas com o ambiente da energia elstica gerada pela deformao, o que faz com que as medies de cargas sucessivas no coincidam com as descargas respectivas.

Outro efeito que tambm deve ser controlado a repetibilidade, ou seja, indicao da mesma deformao decorrente da aplicao da mesma carga sucessivamente. Tambm se deve verificar o uso de materiais isotrpicos e da correta aplicao da fora sobre a clula de carga.

Finalmente, deve-se considerar o fenmeno da fluncia (creep), que consiste na variao da deformao ao longo do tempo aps a aplicao da carga. Este efeito decorre de escorregamentos entre as faces da estrutura cristalina do material, e apresentam-se como variaes aparentes na intensidade da fora sem que haja incrementos na mesma.


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Figura 3.7. Clula de carga.

3.3.3.Clip Gage

Um Clip Gage usado para medir o deslocamento em um nmero de aplicaes diferentes. A configurao representativa do Clip Gage ilustrada esquematicamente na Figura 3.8 onde, neste caso, dois medidores de deformao so instalados em lados opostos de uma seo fina, a qual sofre uma curvatura quando a distncia entre os pontos muda. Desde que as tenses detectadas pelos dois gages sejam iguais em mdulo e opostos em sinal, os gages so conectados nos braos adjacentes da ponte para dobrar a sada da ponte ao cancelar as sadas trmicas dos gages, vide Fig. 3.8.


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Figura 3.8. Principio de um Clip Gage para medida do deslocamento.

No prximo captulo, os componentes apresentados sero modelados.


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