Simulação numérica da válvula de retenção do acelerador pneumático usando dinâmica de fluidos computacional (CFD)

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2475 (2023) Citar este artigo

1287 acessos

Detalhes das métricas

O artigo apresenta uma simulação numérica em CFD de uma válvula de retenção do acelerador usada em um sistema de controle inovador para dois acionamentos pneumáticos. Esse tipo de controle é utilizado em um inovador aparelho 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 um acelerador de válvula de retenção pré-ajustado. A simulação numérica (CFD) permite estudar os fenômenos de fluxo dentro de uma válvula de retenção pneumática, com diferentes tamanhos de folgas de fluxo. Os resultados obtidos permitiram determinar a distribuição das grandezas físicas da pressão estática, a velocidade do meio que escoa pela válvula ou a distribuição vetorial de velocidade. O conjunto da válvula borboleta foi dimensionado para um grau adequado de sincronização do movimento dos atuadores do pistão, independentemente das diferentes cargas externas que atuam em cada um deles. Os autores investigaram os fenômenos do fluxo de ar para diferentes alturas de abertura da válvula. A simulação forneceu informações sobre a ocorrência de velocidades de fluxo supersônicas e subsônicas em alturas específicas de abertura de válvulas.

Em sistemas onde são utilizados acionamentos pneumáticos, é necessário o movimento simultâneo das hastes dos pistões. Quando há uma carga externa diferente, observa-se um movimento desigual das hastes do pistão de acionamento. É difícil obter o mesmo deslocamento das hastes dos pistões de acionamento sob carga diferente1,2, principalmente devido ao fato de que o ar comprimido é 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 solenoides liga/desliga são comumente utilizadas na indústria por serem componentes pneumáticos de menor custo que as válvulas proporcionais15,16.

Para obter o movimento simultâneo de acionamentos pneumáticos, por exemplo, são utilizados sincronizadores de movimento17,18 válvulas reguladoras de pressão ou borboletas7,19. 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 a 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 usada para regular a velocidade de extensão ou retração das hastes dos cilindros pneumáticos. É uma conexão paralela de um acelerador e uma válvula antirretorno. Nesta válvula, o fluxo de ar é estrangulado em apenas 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 na direção oposta, o ar flui livremente com a válvula anti-retorno aberta7.

Em sistemas hidráulicos, são usados ​​sincronizadores de movimento. O movimento de sincronização dos acionamentos hidráulicos geralmente é realizado por uma válvula proporcional ou servoválvula21. Você também pode encontrar válvulas on-off de alta velocidade (HSVs)22. HSV é usado, por exemplo, para controle de pressão23, e também para controle de posição24. Os autores do artigo25,26 apresentaram o controle dos elementos de acionamento hidráulico por meio de uma válvula on-off de alta velocidade. Os autores usaram um algoritmo de controle de sincronização cooperativa, 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 acionadores.