Desenvolvimento de uma válvula hidráulica de controle direcional em dimensões reduzidas

Abstract

O presente trabalho objetiva desenvolver, a partir do estudo de válvulas comerciais, uma válvula hidráulica de controle direcional mais compacta que as encontradas usualmente no mercado. A válvula em questão, compõe o sistema hidráulico de atuação de um robô para inspeção de dutos e que consiste em um projeto de pesquisa em desenvolvimento entre o Laboratório de Mecatrônica e Controle (LAMECC) da UFRGS, em parceria com a Petrobrás e com o Instituto de Informática da UFRGS. O seu dimensionamento realizou-se através da importação de um modelo sólido computacional de uma válvula comercial, a qual tem suas funcionalidades adaptadas de acordo com os requisitos do projeto, mantendo sua característica de usar um carretel (spool) como elemento direcionador da vazão. Concluído seu dimensionamento, realiza-se um estudo visando a validar sua viabilidade de aplicação através da modelagem matemática do seu sistema físico utilizando os parâmetros de operação robô. Essa modelagem utiliza equações de acoplamento dinâmico entre sistemas elétricos, mecânicos e hidráulicos, permitindo a obtenção de equações diferenciais que correspondam ao comportamento físico do sistema físico em questão. O modelo matemático obtido permite verificar se a vazão que resulta do deslocamento do spool consegue suprir a vazão mínima necessária. Esse procedimento é realizado considerando os dados de um solenoide comercial obtidos de um catálogo de fabricante, os quais relacionam a força de atuação do solenoide com o deslocamento do spool ocasionado pela aplicação da própria força eletromagnética, em um processo interativo. Por meio da implantação do modelo desenvolvido em um software de simulação numérica dinâmica (Matlab/Simulink), obteve-se os resultados que confirmam que a válvula proposta tem capacidade de fornecer a vazão necessária para o correto comportamento do sistema.

This paper aims to develop, from the study of commercial valves, a hydraulic directional control valve more compact than those usually found in the market. The valve in question composes the hydraulic actuation system of a robot for pipeline inspection and consists of a research project under development between the Laboratory of Mechatronics and Control (LAMECC) of UFRGS, in partnership with Petrobras and the Institute of Computer Science at UFRGS. Its sizing was accomplished through the importation of a solid computational model of a commercial valve, which has its functionalities adapted according to the requirements of the project, maintaining its characteristic of using a spool as a flow direction element. Once its sizing is completed, a study is carried out to validate its viability of application through the mathematical modeling of its physical system using the parameters of robot operation. This modeling uses dynamic coupling equations between electrical, mechanical and hydraulic systems, allowing differential equations that correspond to the physical behavior of the physical system in question to be obtained. The obtained mathematical model allows verifying if the flow that results from the displacement of the spool can supply the minimum necessary flow. This procedure is performed considering the data of a commercial solenoid obtained from a manufacturer's catalog, which relates the solenoid actuation force to the spool displacement caused by the application of the electromagnetic force itself, in an interactive process. By implementing the model developed in a dynamic numerical simulation software (Matlab / Simulink), we obtained the results that confirm that the proposed valve has the capacity to provide the necessary flow for the correct behavior of the system.