Guião do Trabalho Laboratorial Nº 11 Controlo de um Elevador Hidráulico

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1 SISEL Sistemas Electromecânicos Guião do Trabalho Laboratorial Nº 11 Controlo de um Elevador Hidráulico GRIS Group of Robotics and Intelligent Systems Homepage: Ano Lectivo: 2006/ GRIS Group of Robotics and Intelligent Systems

2 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 1 de 11 Controlo de um Elevador Hidráulico Sumário: Este trabalho introduz e analisa o funcionamento dos componentes fundamentais dos sistemas hidráulicos recorrendo ao software FluidSIM. a) b) Figura 1 a) Haste do cilindro de um elevador hidráulico; b) circuito de controlo de um cilindro; c) esquema do circuito hidráulico do elevador. A Figura 1 mostra um elevador hidráulico, um possível circuito de controlo (com uma bomba hidráulica e um cilindro) e a representação esquemática do sistema. 1) Identifique os vários elementos do diagrama do circuito. 2) Construção do diagrama da Figura 1 na aplicação FluidSIM. a) Inicie a aplicação FluidSIM-H, na pasta FESTO Didactic do menu Programas. A aplicação deve ter um aspecto semelhante ao da Figura 2. b) A janela Component Library contém os elementos que vai usar para construir os diagramas dos circuitos hidráulicos. Para obter uma explicação sobre um c)

3 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 2 de 11 determinado componente basta carregar sobre o seu símbolo com o botão direito do rato e escolher a opção Component Description (Figura 3). Figura 2 Janela principal da aplicação FluidSIM. Figura 3 Pode obter uma descrição do componente carregando no botão direito do rato sobre o símbolo do componente. c) De seguida vamos iniciar a construção do diagrama da Figura 1. Abra uma nova janela (carregue no primeiro ícone da barra de ferramentas ou, alternativamente, no menu File e de seguida em New). d) Arraste os elementos necessários da janela Component Library para a nova janela. Para tal deve carregar com o botão esquerdo sobre o respectivo símbolo na Component Library e arrastar o elemento, sem largar o botão do rato, até que ele fique na posição desejada ( Drag-and-drop ). Para apagar um elemento basta seleccioná-lo e carregar na tecla DEL.

4 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 3 de 11 Figura 4 Aspecto do diagrama após colocação dos elementos. e) Após a inserção de todos os elementos deve obter algo semelhante à Figura 4. Para fazer a rotação do cilindro carregue sobre ele com o botão direito do rato e escolha o comando Rotate (alternativamente, seleccione o elemento e, no menu Edit, e escolha o comando Rotate). f) De seguida deve fazer a ligações entre os elementos. Os orifícios dos elementos são representados pelas pequenas circunferências pretas existentes nos símbolos. Para ligar dois orifícios deve carregar com o botão esquerdo do rato sobre um dos orifícios e, mantendo o botão carregado, arrastar o ponteiro até ao segundo orifício. O ponteiro altera-se para indicar quais os pontos de ligação válidos. Pode também ligar um elemento a uma ligação já existente. Para isso deve iniciar a ligação no orifício do elemento e terminá-la no ponto desejado da ligação existente. g) Altere as propriedades do cilindro de forma a simular uma carga de 1000 N e um deslocamento de 1 m (ver Figura 5). Carregue no botão direito do rato sobre o símbolo do cilindro e escolha o comando propriedades (ou carregue duas vezes sobre o símbolo). Introduza os valores 1000 (N) e 1000 (mm) nos campos Force e Max. Stroke, respectivamente.

5 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 4 de 11 Figura 5 Configuração das propriedades do cilindro. h) Altere as propriedades da bomba. Introduza 200 Bar no campo Operating Pressure e 1 l/min no campo Flow. i) Altere as propriedades da válvula limitadora de pressão. Introduza 180 Bar no campo Nominal Pressure. Nota: uma vez que está a usar uma versão de demonstração da aplicação FluidSIM não pode gravar os diagramas. j) Pode agora iniciar a simulação do circuito. Para tal, use os ícones da barra de ferramentas, a tecla F9 ou o menu (Execute->Start), tal como é mostrado na Figura 6. Um modo que pode ser útil é o modo single step : carregue no botão de pause (F8) e depois no botão single step para avançar a simulação passo-a-passo. A haste do cilindro move-se somente quando carrega na parte mais curta da válvula direccional 2/2, permitindo a circulação do caudal para o cilindro. Figura 6 Controlo da simulação: por menu ou através da barra de ferramentas. k) Para diminuir a velocidade da simulação seleccione o menu Options->Simulation que activa uma janela com opções da simulação. No campo Slow motion Factor, introduza o valor 5 (ou outro valor que ache adequado para observar com atenção o desenrolar da simulação). l) Prima a tecla A (ou vá ao menu View >Quantity Values). É apresentada uma janela com opções de visualização e as unidades das grandezas em causa. Para os campos Pressure e Flow seleccione a opção All. Desta forma pode

6 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 5 de 11 visualizar o caudal e a pressão em todos os pontos do sistema. Em particular, observe a queda de pressão nas válvulas. Figura 7 Simulação do circuito. As ligações a vermelho indicam uma pressão entre 50% e 100% da pressão máxima do circuito. A espessura da linha também varia de acordo com a pressão na ligação. m) Indique qual a função da válvula 2/2 do ponto de visto do utilizador. 3) Análise da montagem em simulação. a) Coloque a válvula 4/3 na posição da esquerda (carregando na alavanca esquerda) e registe os caudais e pressões nos vários pontos do circuito e a velocidade do motor enquanto a haste sobe. Para manter a alavanca da válvula 2/2 pressionada carregue em shift e carregue no botão do rato uma só vez. Quando carregar novamente sobre a válvula esta volta à posição de repouso. A melhor forma para fazer as leituras é fazer pause usando o ícone da barra de ferramentas. Para baixar a haste do cilindro tem que colocar a válvula 4/3 na terceira posição (carregando na alavanca da direita). b) Como justifica que a velocidade de descida seja superior à velocidade de subida? c) A posição central da válvula 4/3 coloca o circuito numa configuração denominada por modo regenerativo. Coloque a válvula nessa posição. Nessa configuração, registe os caudais e velocidade da haste do cilindro. Explique o funcionamento comparando com os resultados da alínea a.

7 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 6 de 11 d) Explique o motivo pelo qual a haste se desloca no sentido verificado. Seria possível que esta haste se deslocasse no sentido contrário (caso a posição inicial fosse, por exemplo, o centro)? e) Com a simulação parada ( Pause ou Stop ), carregue duas vezes no símbolo da bomba e introduza 16 l/min no campo Flow (o valor anterior era 1 l/min). Repita a alínea a. Como justifica as diferenças de pressão? Que tipo de relação existe entre a diferença de pressão entre os orifícios de entrada e saída, por exemplo, da válvula 2/2 e o caudal que a atravessa? 4) Controlo da velocidade de deslocamento da plataforma do elevador. Pretende-se que a velocidade de subida seja aproximadamente 0.3 m/s. a) b) c) d) Figura 8 a) e b) controlo de caudal com válvula reguladora; c) e d) controlo de caudal com válvula estranguladora. a) Altere o diagrama que utilizou anteriormente de forma a obter o diagrama da esquerda da Figura 8. Este circuito usa uma válvula reguladora de fluxo. Observe o pormenor na Figura 9. De seguida, pode fazer copy + paste para duplicá-lo. Repita o mesmo procedimento para os dois últimos diagramas. Estes dois últimos circuitos usam válvulas estranguladoras de caudal.

8 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 7 de 11 b) Modifique as propriedades das bombas para um caudal de 16 l/min e uma pressão de 200 Bar. Estabeleça ainda as seguintes propriedades: Diagrama 1 Diagrama 2 Diagrama 3 Diagrama 4 Carga no cilindro 1000 N 100 N 1000 N 100 N Válvula fluxométrica 3.6 l/min 3.6 l/min 79% 79% Figura 9 Pormenor da Figura 8 c) Inicie a simulação. Carregue no botão Start e, de seguida, em Pause. Mantendo a tecla shift pressionada, carregue em cada uma das válvulas 2/2 para fechar o circuito hidráulico. Coloque também todas as válvulas 4/3 na posição da esquerda. O diagrama deve ter o aspecto da Figura 8. d) Faça a simulação passo-a-passo e observe os resultados (Figura 10). Verifique a velocidade das hastes dos vários cilindros. Que conclusão tira?

9 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 8 de 11 Figura 10 Simulação passo-a-passo. Observe as diferentes velocidades das hastes. 5) A força máxima que cilindro desta montagem pode fornecer é de 1000 N. Supondo que se pretende elevar massas entre 0 e 200 kg e que só se dispõe de cilindros deste tipo, uma possível solução consiste em usar dois cilindros em paralelo. Numa nova janela, construa o diagrama da Figura 11.

10 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 9 de 11 Figura 11 Elevador hidráulico com dois cilindros 6) Durante o funcionamento do sistema é frequente que a carga não se distribua de uma forma uniforme pelos dois cilindros. Assim, na montagem anterior, diminua o valor da força exercida no cilindro 1. Execute a simulação e analise o resultado. Qual dos dois cilindros é accionado em primeiro lugar? Porquê? 7) De forma a evitar tensões no acoplamento mecânico dos dois cilindros, pretende-se garantir que as hastes dos cilindros se movam simultaneamente, com velocidade identica, mesmo na ausência do acoplamento mecânico. a) Construa os quatro circuitos da Figura 12. Para o terceiro circuito estabeleça o valor do caudal nominal da válvula de fluxo (carregue duas vezes sobre o símbolo) em 7.2 l/min. No quarto circuito estabeleça, para cada uma das válvulas, o valor 3.6 l/min. b) Estude as quatro montagens e diga quais são as adequadas para o propósito pretendido.

11 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 10 de 11 Figura 12 Apenas uma das montagens garante que as hastes dos dois cilindros sobem com a mesma velocidade. Figura 13 Através da simulação passo-a-passo pode comparar o funcionamento das montagens.

12 Guião N.º 11: Controlo de um Elevador Hidráulico Página 11 de 11 8) O circuito mostrado na Figura 14 recorre a dois circuitos rectificadores em ponte. Figura 14 Regulação do caudal recorrendo a válvulas reguladoras e pontes rectificadoras. a) Simule e analise o funcionamento da montagem da Figura 14. Compare as velocidades de subida e de descida das hastes dos cilindros. b) Explique a necessidade da utilização das pontes rectificadoras.