Simulação numérica de válvula de retenção pneumática usando dinâmica de fluidos computacional (CFD)

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2475 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O artigo apresenta uma simulação numérica CFD de uma válvula de retenção utilizada em um sistema de controle inovador para dois acionamentos pneumáticos. Este tipo de controle é utilizado em um inovador dispositivo de reabilitação de membros inferiores. Para determinar as condições de contorno, foram realizados testes experimentais. As válvulas borboleta na bancada de teste foram dimensionadas e os valores da vazão de ar foram lidos para diferentes alturas de abertura da válvula. O objetivo deste artigo é apresentar uma simulação CFD de uma válvula de retenção pré-ajustada. A simulação numérica (CFD) permite estudar os fenômenos de fluxo dentro de uma válvula de retenção pneumática, com diferentes tamanhos de intervalos de fluxo. Os resultados obtidos permitiram determinar a distribuição das grandezas físicas da pressão estática, a velocidade do meio que flui pela válvula ou a distribuição vetorial da velocidade. O conjunto da válvula borboleta foi dimensionado para um grau adequado de sincronização do movimento dos atuadores de pistão, independentemente das diferentes cargas externas que atuam em cada um deles. Os autores investigaram fenômenos de fluxo de ar para diferentes alturas de abertura de válvula. A simulação forneceu informações sobre a ocorrência de velocidades de fluxo supersônicas e subsônicas em alturas específicas de abertura da válvula.

Em sistemas onde são utilizados acionamentos pneumáticos, é necessário o movimento simultâneo das hastes do pistão. Quando há uma carga externa diferente, é observado movimento irregular das hastes do pistão de acionamento. É difícil obter o mesmo deslocamento das bielas de acionamento sob diferentes cargas1,2, principalmente devido ao fato do ar comprimido ser compressível3,4,5, e também há resistência ao movimento causada pelo autofricção dos pistões de acionamento6,7, 8,9,10.

Os sistemas pneumáticos utilizam válvulas proporcionais11 e válvulas solenóides on/off12,13, para regular o fluxo de ar5,14. As válvulas solenóides on/off são comumente utilizadas na indústria por serem componentes pneumáticos mais baratos que as válvulas proporcionais15,16.

Para obter o movimento simultâneo de acionamentos pneumáticos, por exemplo, são utilizados sincronizadores de movimento17,18 aceleradores ou válvulas de retenção7,19. As válvulas de retenção do acelerador são amplamente utilizadas em pneumática como elementos de controle de fluxo em muitas indústrias.

Os elementos pneumáticos mais comuns usados ​​para regular o fluxo do meio de trabalho são válvulas borboleta e válvulas de retenção. No entanto, a desvantagem desta válvula é a sensibilidade às mudanças na força de carga do acionamento da haste do pistão. O fluxo do meio de trabalho através da folga da válvula aumenta com a força de carga20.

A válvula de retenção do acelerador é utilizada para regular a velocidade de extensão ou retração das hastes dos cilindros pneumáticos. É uma conexão paralela de um acelerador e uma válvula de retenção. Nesta válvula, o fluxo de ar é estrangulado apenas em uma direção. O ar flui através de uma seção transversal reduzida ajustável na válvula borboleta e o fluxo do meio de trabalho fecha a válvula de retenção. Ao mover-se na direção oposta, o ar flui livremente com a válvula de retenção aberta7.

Em sistemas hidráulicos, são utilizados sincronizadores de movimento. O movimento de sincronização dos acionamentos hidráulicos geralmente é realizado por uma válvula proporcional ou servoválvula21. Você também pode encontrar válvulas liga-desliga de alta velocidade (HSVs)22. O HSV é utilizado, por exemplo, para controle de pressão23, e também para controle de posição24. Os autores do artigo25,26 apresentaram o controle de elementos de acionamento hidráulico através de uma válvula liga-desliga de alta velocidade. Os autores usaram um algoritmo de controle de sincronização cooperativo, PWM – PFM (modulação por largura de pulso – modulação por frequência de pulso). Na literatura27,28, os autores projetaram um controlador para implementar o controle com rastreamento da trajetória de velocidade das hastes dos acionamentos.