Projeto e Simulação Dinâmica Unidimensional de Sistema Hidráulico

Projeto e Simulação Dinâmica Unidimensional de Sistema Hidráulico
Sua empresa foi contratada para executar uma máquina hidráulica para executar
a dobragem de chapas em formato “U” de diferentes espessuras.
O setor de Projeto Informacional recebeu do cliente a seguinte descrição de
operação:
Para execução da tarefa, o sistema hidráulico obedece as seguintes condições e
a sequência de operações.
1. A chapa é posicionada manualmente sobre a mesa do dispositivo. Um encosto ao
fundo e outro ao lado garantem o paralelismo e a perpendicularidade da dobra.
2. Um botão de partida EO é acionado para ativar o ciclo de dobra, que só pode ser
iniciado se os atuadores A, B e C estiverem recuados e pressionando os fins de curso
E1, E3 e E5.
3. Deve haver um botão E7 que ativa a parada de emergência.
Com base no levantamento de necessidades e no descritivo da sequência de
operações, elaborou diagnóstico de necessidades do produto e elaborou o diagrama de
trajeto x passo da Figura 01.
Figura 01 – Diagrama de trajeto x passo do sistema de dobramento de chapas.
O diagrama representa a seguinte sequência de operações:
 Passo 1 - Dada a partida, o atuador A se distende, fixando por pressão a chapa
sobre a mesa.
 Passo 2 - Ao fixar a chapa, o atuador A pressiona o fim de curso E2 que dispara
o atuador B para realizar a primeira dobra.
 Passo 3 - Ao final da primeira dobra, o atuador B pressiona o fim de curso E4
que provoca seu retorno, e ao pressionar E3, ativa o atuador C.
 Passo 4 - O atuador C se distende e realiza a segunda dobra.
 Passo 5 - O retorno do atuador C será dado pelo fim de curso E6.
 Passo 6 - Ao retomar, o atuador C pressiona E5 que provoca o retorno do
atuador A que, ao pressionar novamente E1, encerra o ciclo.
Aprovado pelo cliente a sequência de operações que envolvem questões de
produção, o setor de Projeto informacional encaminhou o levantamento de necessidades
do produto ao setor de Projeto Conceitual. Neste, setor após analisar diferentes
alternativas de solução para realizar a tarefa desejada, os projetistas propuseram o
esquema operacional para um dispositivo de dobra de chapas utilizando cilindros
hidráulicos representado na Figura 02.
Figura 02 – Dispositivo de dobra de chapas utilizando cilindros hidráulicos.
Foram definidos os diferentes tipos de atuadores para atender as necessidades
de operação e força para estabelecer o melhor custo benefício esperado.
De acordo com informações do cliente, as chapas a serem dobradas têm
diferentes espessuras que oferecerão diferentes resistências. Por questões de projeto da
máquina, deverão ser adotados os seguintes parâmetros:
1 - Comprimento das tubulações (marca ERMETO):
 Linha de sucção: acoplada ao tanque e sistema motor-bomba. Comprimento
equivalente a 0,5m.
 Linha de pressão entre a bomba e a ferramenta: 10 metros.
 Linha de retorno entre sistema e o tanque: 10 metros.
 Cotovelos de 90º médios.
 Todos os “Tês” serão de passagem direta.
 Óleo a ser utilizado com viscosidade igual a 0,45 St.
Na sequência, para iniciar o processo de dimensionamento dos equipamentos do
sistema hidráulico, foi elaborado o diagrama do sistema de comando eletro-hidráulico
representado na Figura 03.
Figura 03 – Diagrama do sistema eletro-hidráulico do dispositivo de dobra de chapas.
O setor de projeto Conceitual repassou o projeto para o setor de projeto
Preliminar que deve dimensionar adequadamente os dispositivos do sistema para realizar
a tarefa e na sequência modelar em sistema computacional para verificara as condições
de operação dinâmica do sistema.
A título de exemplificação da complexidade do cálculo do esforço para dobragem
de
chapas
seguem
as
descrições
abaixo
(disponível
em
http://www.navegantescorteedobra.com.br/calculo-de-dobra).
O cálculo de dobra “ao ar” para aplicação em Prensas Dobradeiras é feito
mediante aplicação das seguintes fórmulas:
Onde:
F = Força de dobra (ton/m);
S = Espessura da chapa (mm);
V = Abertura do canal de dobra (mm);
R = Limite de resistência do material (kgf/mm 2;
L = Comprimento da dobra (m).
Nota 1 – Entende-se como limite de resistência, a Tensão de Ruptura (de
preferência à tração) conforme as propriedades mecânicas de cada material. Estes
dados são fornecidos pelo fabricante.
Para fins de simplificação de análise do sistema, serão consideradas as seguintes
resistências de chapas para dimensionamento dos atuadores:
1. O atuador “A” exercerá uma força de 10 kgf para fixar as chapas no corpo da
dobradeira.
2. O atuador “B” exercerá as seguintes forças para primeira dobragem de
chapas: 20 kgf, 70 kgf e 100 kgf.
3. O atuador “C” exercerá as seguintes forças para segunda dobragem de
chapas: 10 kgf, 50 kgf e 100 kgf.
Você e seu companheiro de equipe passam a integrar a equipe de Projeto
Preliminar da sua empresa e com bases nos dados apresentados, devem dimensionar o
sistema hidráulico para executar a operação de dobragem que o cliente solicitou. Deve
ser considerada a melhor relação de custo x benefício.
No tutorial 03 da Ontomos estão descritos os passos para o dimensionamento de
sistemas hidráulicos de acordo com Fialho 2003, bem como exemplos de modelagem
para simulação de sistemas hidráulicos. Utilize o livro do prof Fialho para dimensionar os
equipamentos do sistema hidráulico.
Após o dimensionamento, efetue a modelagem do sistema para avaliar o
comportamento dinâmico unidimensional com o uso do ambiente AMESim. Efetue uma
análise de sensibilidade para avaliar a operação do sistema para as três diferentes
cargas. Avalie também se é possível ampliar a faixa de espessuras de chapas a serem
dobradas pela mesma máquina. Aumente os valores de força de reação que o sistema
deve superar para dobrar chapas. Esta análise poderá ser utilizada para justificar o
dimensionamento do sistema com valores maiores para algum dispositivo. Por vezes o
incremento no custo final pode proporcionar maior capacidade e flexibilidade operacional
com ganhos futuros.
OUTRAS CONSIDERAÇÔES DE PROJETO E DE ANÁLISE OPERACIONAL
A ferramenta de dobragem será utilizada em regime de operação em dois turnos
de trabalho. A título de manutenção para verificação das condições da mesma, haverá
paradas programadas a cada 7,5 horas.
As chapas serão lançadas e retiradas da base de fixação por meio de trabalho
humano que será responsável por acionar as botoeiras de “liga” e “desliga”.
Em termos de análise operacional, modelar o sistema de acionamentos de
atuadores hidráulicos lineares e considerar as seguintes condições:
1 – Realizar a análise de sensibilidade por meio da ferramenta Batch para as
diferente forças de reação das chapas (a força aplicada aos atuadores em cada operação
é constante), considerando que não há nenhum tipo de ganho inserido no sistema.
Analisar: (i) o comportamento do deslocamento dos atuadores em função do tempo; (ii) o
comportamento da pressão nos atuadores em função do tempo.
2 – Tempo de simulação indicado no diagrama de trajeto x passo;
Tolerância: 1e-7; Intervalo de comunicação: 0,1s.
3 – Valores de vazão e pressão do sistema, bem como ajustes das válvulas de
alívio de pressão, devem obedecer aos valores definidos no projeto elaborado.
4 – Para avaliar possíveis ganhos operacionais, inclusive no que diz respeito a
diminuição do tempo de operação, verifique se é possível substituir as válvulas direcionais
por comando por bobinas por válvulas comandadas por solenoide. Insira na haste do
atuador um sensor de deslocamento e sua saída interligue a um somador que atuará
sobre um elemento de sinal de ganho fixo ou variável (PID) cuja saída será ligada à
solenoide do atuador. Em função da resposta de deslocamento do atuador é possível
ajustar o valor do ganho para modificar a operação do atuador pela válvula.
Imprima os gráficos de deslocamento do atuador, de pressões e outros que julgar
necessários e compare os resultados obtidos nas diferentes condições apresentadas.
Avalie a eficácia da adição de um controlador e válvulas proporcionais no sistema
em substituição ás válvulas de comando elétrico simples.
Analise as diferentes conformações possíveis para as diferentes chapas e se o
sistema permanecerá com a mesma eficiência operacional e se é possível aumentar a
capacidade de dobragem da máquina.