Descomplicando – Válvulas de Contrabalanço

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3 anos atrás

Descomplicando – Válvulas de Contrabalanço

Aprenda quando e como utilizar corretamente as válvulas de contrabalanço

Por Gustavo Marinho, CFPHS | 27 de Junho de 2021

As válvulas de contrabalanço são válvulas de controle de pressão do tipo “Limitadora de Pressão”, normalmente utilizadas com cilindros para manter cargas suspensas com segurança, controle de cargas em movimento ou excessivas. Esta válvula também pode ser usada com motores hidráulicos e nessas aplicações, são comumente chamadas “Válvulas de frenagem”.

Para o caso de circuito de controle de cargas, ambas as válvulas, as de contrabalanço e as válvulas de retenção pilotadas podem ser usadas para manter um cilindro em posição, no entanto, elas possuem diferentes características construtivas que iremos abordar nesse artigo e que irão deixar mais claro seus respectivos benefícios bem como outros detalhes técnicos acerca de sua seleção e aplicações específicas.

Aplicações para as Válvulas de Contrabalanço

A válvula de contrabalanço é usada sempre que houver a necessidade de gerar uma força contrária a fim de sustentar cargas localizadas em posição vertical ou em um plano inclinado, ou ainda, usada para reduzir a influência da ação da gravidade ou inércia. Serve também como válvula de alívio evitando elevações de pressão na linha onde a válvula estiver instalada, auxilia na frenagem de cargas e como característica construtiva comum tem como a necessidade de válvula retenção em paralelo e, em alguns casos, também requer dreno externo.

Dentre as aplicações típicas incluem:

· Indústria móbil;

· Controle de descida de carga do guincho;

· Controle de carga “over-center” e outras aplicações onde uma carga negativa tenta fazer o atuador ultrapassar a velocidade da bomba. (A carga tenta movimentar-se mais rapidamente do que a vazão da bomba.) Nesse tipo de situação, uma válvula de retenção pilotada é uma escolha especialmente ruim, pois faria com que a carga gerasse um efeito “catraca” conforme a pressão aumenta e diminui repetidamente na pressão de abertura do piloto hidráulico da válvula de retenção.

Abaixo podemos ver uma imagem ilustrativa representando todos os componentes estruturais de uma válvula de contrabalanço.

Do ponto de vista de design, uma informação muito importante á ser considerada pelo projetista é o local de instalação desse componente no circuito, e por questão de segurança, a melhor abordagem é a instalação da mesma o mais próximo possível do circuito de atuação ou de controle da carga, evitando assim que o rompimento de uma mangueira ou da tubulação cause a queda descontrolada da carga elevada por exemplo.

Funcionamento em um Circuito de Controle de Carga

Quando em um circuito com uma carga (positiva ou negativa), uma válvula de contrabalanço só abrirá o suficiente para permitir que a carga se mova na taxa de fluxo desejada, evitando assim que a carga exceda a velocidade da bomba. Por essa característica as válvulas de contrabalanço são muitas vezes chamadas pelos fabricantes como “Motion Control Valves”.

Embora existam outros modelos e derivações de modos de design, o tipo cartucho ou “cartridge” é o mais utilizado na indústria e um dos principais fabricantes especializados nesse componente é a Sun Hydraulics, possuindo inclusive mais de 5 famílias de design para diferentes requisitos de projeto.

Para o circuito demonstrado abaixo temos a seguinte explicação de funcionamento lógico:

Sem pressão na linha de extensão do cilindro ou “cap end”, a válvula de contrabalanço evita que a carga desça descontroladamente. A válvula de retenção permite a vazão de fluido para o pórtico da extremidade da haste ou “rod end” para execução do movimento de elevação da carga.

Quando nenhuma pressão é aplicada na linha de extensão no cilindro, a válvula de contrabalanço mantém a pressão do fluido na linha da extremidade da haste como podemos ver em vermelho na figura. As duas linhas piloto mostradas atuam em diferentes áreas de superfície dentro da válvula de contrabalanço. A proporção dessas áreas é geralmente de 3: 1 ou 4: 1.

Vamos assumir a proporção de 3: 1. A linha conectada entre a válvula de contrabalanço e o pórtico da extremidade da haste do cilindro atua em uma pequena área do pistão (1 in²) dentro da válvula. Para superar a força da mola de 1.800 lbs, a pressão teria que ser superior a 1.800 psi e então efetuar a abertura da válvula. Como a carga em nosso exemplo exerce uma força que produz apenas 1.500 psi, a válvula permanece fechada.

Para realizar o movimento de descida da carga, a linha de extensão do cilindro deve ser pressurizada e com isso, a linha do piloto externo da válvula de contrabalanço será então pressurizada para abrir a mesma. Isso irá ocorrer porque a linha do piloto externo atua em uma área de superfície três vezes maior (3 in2) que a linha de piloto interno.

Na verdade, 1.500 lbs de força já estão sendo exercidos pela carga na mola. Portanto, a pressão piloto externa precisa desenvolver apenas 300 lbs de força adicional para abrir a válvula. A pressão só precisa chegar a 100 psi na superfície de 3 in2 para desenvolver os 300 lbs de força necessários (como pode ser visto na imagem abaixo). A pressão e o peso da carga farão com que a válvula se abra, permitindo que a carga desça. A queda da carga muito rápida causaria uma queda de pressão na linha do piloto externo. O carretel da válvula de contrabalanço fecharia então parcialmente, evitando uma queda descontrolada da carga.

Ao pressurizar a linha extensão do cilindro aplica-se também pressão ao piloto da válvula de contrabalanço. Como a razão de área da válvula de contrabalanço do circuito é de 3:1, apenas apenas 100 psi de pressão piloto são necessários para abrir a válvula.

Maiores Problemas das Válvulas de Contrabalanço e Possíveis Soluções

Um dos maiores problemas da utilização das válvulas de contrabalanço é a Histerese. A maioria das válvulas de contrabalanço são baseadas no mesmo princípio de projeto da válvula de alívio de área diferencial. As válvulas de alívio da área diferencial devem ter vedações para evitar vazamentos. A maioria das válvulas de contrabalanço possui de uma a três vedações dinâmicas, que introduzem atrito, resultando em histerese.

O atrito causado pelas vedações dinâmicas faz com que a válvula emperre, causando um excesso de pressão. A válvula de contrabalanço então se move para corrigir seu posicionamento e passa ou não retorna para a posição correta, eventos denominados como “overshoot ou undershoot”.

Os resultados da histerese no sistema serão, posicionamento inadequado, vibração elevada ou barulho de guincho (fenômeno também conhecido como “hydraulic throttling”). Às vezes, essa vibração é causada pelo design do cilindro, não pela válvula de contrabalanço. Quanto mais vedações dinâmicas na válvula, maior será a histerese. Quando causado pelo cilindro, nenhuma válvula de contrabalanço no mundo poderá reduzir essa vibração.

Existem algumas opções para tratar os sintomas da histerese com válvulas de contrabalanço. A maioria das válvulas de contrabalanço vem com uma razão piloto variando de 1,75:1 a 12,0:1. O ajuste da correlação ideal da razão de área piloto com a aplicação específica as vezes corrige o problema. Outra tentativa de estabilizar essa situação é ter uma válvula de controle de vazão ajustável para restringir o fluxo até que se torne estável. No entanto, isso aumenta o consumo de energia. Um pequeno orifício ou um acumulador pode ser instalado na linha piloto para amortecer a resposta da válvula. Mas esta técnica é bastante sensível à viscosidade do fluido, e a válvula torna-se lenta em temperaturas mais baixas. Todas essas possíveis rápidas soluções podem tratar os sintomas, mas não são curas.

Os avanços nas tecnologias de design das válvulas de contrabalanço estão tornando os controles mais fáceis e suaves. Para reduzir a histerese na válvula de contrabalanço, todos os selos dinâmicos devem ser eliminados. Muito fabricantes como a Sun Hydraulics, Bosch e Bucher Hydraulics já desenvolvem válvulas que não possuem vedações dinâmicas, portanto, são virtualmente livres de histerese. As válvulas são rápidas o suficiente para seguir qualquer sinal fornecido a elas, eliminando over-undershoots, vibrações elevadas e barulho e guincho. Seu design tem uma classificação de fluxo elevado, o que conserva energia, mas permanece controlável em fluxo muito baixo.

Selecionando e Ajustando uma Válvula de Contrabalanço

Embora existam muitas variações de válvulas para seleção e seus respectivos requisitos de aplicação á serem atendidos, a ideia com esse conteúdo é de fornecer insights com base em minha experiência tanto de campo quanto com design e com base nos “Rules of Thumb” sobre o assunto.

Conforme mencionado anteriormente neste artigo, as válvulas de contrabalanço são válvulas de modulação que permitem o fluxo livre para o atuador e bloqueiam o fluxo reverso até a identificação de uma pressão piloto inversamente proporcional à carga na linha piloto.

Eles empregam uma válvula de retenção para a direção do fluxo livre, uma válvula de alívio para controlar o fluxo na direção reversa e um pistão piloto que diminui o ajuste da válvula de alívio. Eles podem travar cargas em um modo livre de vazamentos e são adequados para muitas aplicações de fixação ou para evitar que cargas negativas caiam em caso de falha da mangueira.

Para movimento de descida de cargas, eles melhoram o controle de movimento na maioria dos sistemas porque obrigam a válvula de controle direcional a sempre medir a pressão positiva, também sob condições de sobrecarga de carga. Essas válvulas podem ser usadas com cilindros emparelhados: a pressão piloto abrirá primeiro a válvula do cilindro mais carregado; isso fará com que a carga seja transferida para o outro cilindro e a válvula relacionada, ainda fechada, exigirá menos pressão piloto para abrir.

Para maior segurança, elas devem ser instaladas próximos ao atuador, montadas em flange ou conectados diretamente na tubulação hidráulica o mais próximo possível a carga conforme já mencionado anteriormente.

Configuração de pressão da função de alívio

A seção de alívio da válvula deve ter um ajuste de pressão (Pt) elevado o suficiente para ser capaz de fechar totalmente o pistão em uma condição livre de vazamentos e interromper qualquer fluxo a jusante também sob pressão induzida de carga máxima (Pmáx). Para tanto, o ajuste de pressão (Pt) deve ser pelo menos 30% superior ao P máx, e isso é expresso pela seguinte fórmula básica:

Pressão piloto necessária para abrir a válvula

A redução da carga é evitada pela seção de alívio da válvula de contrabalanço e a pressão induzida pela carga (Pload) gera uma força na direção de abertura oposta à carga da mola, conseqüentemente a carga diminui a pressão piloto real necessária para iniciar a abertura do pistão de alívio.

No caso da válvula de contrabalanço montada em um cilindro de dupla ação e na situação ideal de ausência de contrapressão na linha de retorno de óleo (linha V2 – T) e ausência de atrito de vedação, a pressão piloto necessária para iniciar a abertura da válvula, Ppil ou “Cracking pressure” pode ser determinada pelas seguintes fórmulas básicas, onde φ é a razão do cilindro e R é a razão piloto da válvula.

φ = área do bore do cilindro / área anular do cilindro

R = área do piloto do pistão da válvula/ área diferencial do pistão de controle

1) Em caso de carga empurrando a haste do cilindro e válvula instalada na linha de bore do cilindro ou cap end

2) Em caso de carga puxando a haste do cilindro e a válvula instalada na câmara anular

3) No caso de válvula de contrabalanço montada em um atuador de área igual ou em um motor hidráulico onde φ = 1, a pressão de abertura ou cracking pressure pode ser determinada da seguinte forma

Diferentes razões piloto

Razão piloto elevada (R ≥ 6: 1): permite movimento de descida da carga com pressão piloto reduzida para uma operação da máquina mais rápida e com economia de energia. É mais adequado para aplicações onde a geometria da estrutura mantém as pressões induzidas pela carga aproximadamente constantes durante o movimento (exemplo: extensão de lança de guindaste).

Razão piloto baixa (R ≤ 5: 1): requer uma pressão piloto mais alta para o movimento descendente da carga, mas permite um controle mais preciso e suave do movimento. É recomendado para aplicações onde a geometria da estrutura determina grandes mudanças na pressão induzida pela carga durante o movimento com consequente instabilidade da máquina (exemplo: cilindro controlando um braço giratório).

Importante:

Para melhor operação, evite contrapressão na porta V2 para a qual a mola de alívio é normalmente ventada; a contrapressão tem dois efeitos negativos:

a) empurra o pistão de alívio na direção fechada e aumenta a pressão necessária para abrir a seção de alívio.

b) opõe-se ao pistão piloto e aumenta a pressão piloto necessária para abrir a válvula e baixar a carga. Quando necessário, os efeitos mencionados acima podem ser parcialmente ou totalmente neutralizados pelo emprego de válvulas de contrabalanço especiais com customizações para aplicações que sempre existirão contrapressão por exemplo.

Para circuitos e equipamentos mais complexos deve-se utilizar metodologias igualmente complexas do pontos de vista de atendimento e verificação ao requisitos de design e predição de performance, tais como, o desenvolvimento do estudo de “Model Based Design” e a verificação do comportamento do regime permanente do circuito ou “Steady-State Design” conforme pode ser visto abaixo alguns detalhes de um estudo desenvolvido em 2014 por “Model Based Design of Electro-Hydraulic Motion Control Systems for Offshore Pipe Handling Equipment – Morten Kollerup Bak” para modelagem de um equipamento de Pipe Handling Offshore para indústria de óleo e gás.

Encontrando a pressão de abertura mais adequada para redução do efeito de vibração no sistema por exemplo para o assembly de válvulas de contrabalanço cruzadas:

Válvulas de contrabalanço vs Válvulas de frenagem

A única diferença entre e a válvula de contrabalanço e a válvula frenagem é a posição em que são inseridas no circuito, porém estruturalmente elas são a mesma válvula.

As válvulas de frenagem são instaladas nas linhas de retorno dos motores hidráulicos para evitar excesso de velocidade quando o motor está sob uma carga excessiva ou para evitar o acúmulo excessivo de pressão ao desacelerar cargas no motor.

Se o motor for bidirecional, a válvula de frenagem pode ser equipada com uma válvula de retenção de fluxo livre reverso para inverter o sentido de rotação. Uma aplicação bem comum desse tipo de válvula pode ser vista nesse circuito de controle de carga.