Introdução à Hidráulica Proporcional
Como funcionam as válvulas hidráulicas de controle proporcional
Por Gustavo Marinho, CFPHS | 10 de Outubro de 2021
As válvulas hidráulicas proporcionais são capazes de controlar sua abertura e fechamento de forma que a vazão do sistema possa fluir proporcionalmente através da mesma em vez de gradualmente, como é o caso da maioria das válvulas hidráulicas.
O tipo mais simples de válvula hidráulica proporcional seria uma reguladora ou estranguladora “Throttle” variável, controlada por uma alavanca manual. Quando sua aplicação hidráulica requer um controle muito preciso do fluxo, as válvulas hidráulicas podem ser equipadas com eletrônica de controle avançada com medição integrada e dispositivos de feedback.
Sumário
O que são as válvulas proporcionais?
As válvulas de controle proporcional são válvulas hidráulicas que fornecem um controle muito preciso de fluxo e pressão. As válvulas proporcionais e servo-hidráulicas são geralmente classificadas como válvulas de alto desempenho. Esta distinção dá uma indicação esperada de desempenho, que tende a generalizar as verdadeiras diferenças entre vários tipos de servo e válvulas hidráulicas proporcionais.
Cada tipo tem suas próprias características de desempenho exclusivas, tanto no controle da pressão quanto no controle do fluxo ou vazão. Essas válvulas podem ser usadas para realizar controle direcional, controle de pressão ou controle de vazão.
Tipo de válvula de controle proporcional:
· Válvulas proporcionais de controle direcional
· Válvulas proporcionais de controle de pressão
· Válvulas proporcionais de controle de vazão ou fluxo
Funcionamento
Quando falamos de sistemas de atuação com controle proporcional, falamos de sistemas de controle contínuo que têm como característica a capacidade de responder proporcionalmente a um sinal de acionamento seja este, sinal mecânico, elétrico ou mesmo hidráulico.
Em sistemas hidráulicos de atuação discreta, existem diversas maneiras de se estabelecer às condições de operação dos atuadores. Como exemplo, observe o comportamento do cilindro durante sua movimentação ao longo do ciclo de trabalho através da curva localizada a direita do circuito hidráulico na figura abaixo.
No percurso do cilindro, são determinadas diferentes velocidades para seu avanço e retorno, de acordo com as etapas do ciclo e com as exigências de trabalho. Os sensores 0, 1, 2, e 3 definem e delimitam as regiões cujas velocidades serão controladas pela energização dos solenóides Y1, Y2, Y3 e Y4, conforme a representação mostrada.
Um sistema empregando uma válvula proporcional pode substituir com vantagens o sistema hidráulico de atuação discreta. Além da simplificação verificada no circuito, o sistema torna-se mais versátil com comportamento mais estável e apresentando maior exatidão na resposta final (posição do atuador).
Em princípio, os orifícios dos elementos de controle das válvulas, podem, teoricamente assumir infinitas posições estáveis entre dois limites máximos (aberto e fechado). Essa possibilidade teórica é a base do controle proporcional na hidráulica, uma vez que permite associar uma grandeza controlável de entrada, como o deslocamento, a uma grandeza de saída, como vazão ou pressão.
Como os orifícios de controle das válvulas podem assumir diferentes geometrias, o ganho pode ser constante ou variável, o que implica diferentes comportamentos das válvulas a estímulos de entrada.
Em resumo, uma válvula de controle proporcional é caracterizada basicamente pela ação proporcional de seus elementos internos a um estímulo de entrada, produzindo, como resposta, um sinal de saída hidráulico proporcional ao sinal de entrada.
A principal diferença entre válvulas convencionais e proporcionais, reside no tipo do sinal de acionamento (entrada) e, consequentemente, no comportamento da variável controlada pela válvula. Entretanto, apenas as considerações acima não são suficientes para uma descrição adequada da relação entrada/saída.
É necessário considerar os efeitos de vazamentos internos, flutuações de pressão, formas de variação de área decorrentes das geometrias particulares dos orifícios (ganhos de área) e, também, dos modos de acionamento das válvulas, entre outros, que provocam alterações no comportamento desses componentes.
A figura abaixo mostra o exemplo de uma válvula direcional proporcional, com acionamento manual por alavanca. Ao lado da válvula, é apresentada a curva do seu comportamento em regime permanente, mostrando a relação entre a variável de entrada (deslocamento da alavanca) e a variável de saída (vazão).
Exemplo de acionamento manual de uma válvula proporcional.
Um circuito hidráulico empregando válvulas proporcionais é mostrado na sequência, onde a válvula direcional é controlada por um sinal elétrico, o qual influencia na direção e na quantificação da vazão. A válvula direcional proporcional assume as funções de válvula de controle de vazão e válvula direcional, proporcionando economia de uma válvula. A pressão na válvula de controle de pressão proporcional (válvula de alívio) é continuamente ajustada por meio de um sinal de controle.
Através de um sinal de controle empregando válvulas proporcionais é possível realizar, sem a intervenção direta do operador, durante a operação do sistema:
· Redução da pressão durante as fases do processo que operam com carga reduzida
· Partida e desaceleração suave
· Controle remoto
Um circuito hidráulico empregando válvulas proporcionais é mostrado na sequência, onde a válvula direcional é controlada por um sinal elétrico, o qual influencia na direção e na quantificação da vazão. A válvula direcional proporcional assume as funções de válvula de controle de vazão e válvula
Abaixo podemos ver o fluxo de sinais encontrados em componentes hidráulicos que empregam tecnologia proporcional. Uma tensão elétrica atua sobre o amplificador operacional (tipicamente, da ordem de –10V a +10V). O amplificador converte o sinal de entrada em corrente elétrica, a qual energiza o solenoide da válvula proporcional controlando proporcionalmente a abertura do carretel.
A abertura da válvula produz a movimentação dos atuadores hidráulicos que, geralmente dispõe de sistemas de medição para monitorar seu deslocamento. Um sinal proveniente dos sensores indica a posição ou deslocamento dos atuadores ao sistema de controle, o qual pode ser um controlador programável (CP) com ou sem realimentação (malha fechada ou aberta).
A forma de controle determina o tipo de sensor que deve ser instalado junto ao atuador, o qual pode ser binário, analógico ou digital.
Já na figura acima podemos ver o princípio de fluxo de sinais aplicando-o a um sistema hidráulico, o qual emprega uma válvula proporcional para controlar a movimentação de dois atuadores: um motor ou um cilindro hidráulico.
Na figura a seguir podemos ver uma válvula direcional e um amplificador operacional, amplamente usados em sistemas hidráulicos proporcionais.
Vantagens
As principais vantagens obtidas com válvulas proporcionais em relação às convencionais são:
· Valores de vazão e pressão infinitamente ajustáveis;
· Ajuste automático durante operação do sistema das seguintes variáveis: força ou torque, aceleração, velocidade ou rotação, deslocamento linear ou posição angular;
· Redução no consumo de energia graças ao controle de vazão e pressão, o qual pode ser ajustado conforme a demanda do sistema;
· Simplificação do circuito através da substituição de várias válvulas on-off por uma proporcional.
Referências:
https://www.dorst-technologies.com/
MARTIN, Hugh. – The Design of Hydraulic Components and Systems. London: Ellis Howood Limited, 1995.
Irlan Von. – Fundamentos de Sistemas Hidráulicos. Florianópolis: Ed. da UFSC, 2001.
Bravo V. Rafael. Sistemas Hidráulicos Proporcionais para Automação e Controle. Parte I – Sistemas Hidráulicos para Controle. Campos dos Goytacazes: Apostila do curso de graduação da IFF-Campos, 2010.
