Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T04:58:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 289386.pdf: 11712104 bytes, checksum: 62b10f0a4802dc1a1859dcb2bb618e95 (MD5) / Nos últimos anos, diferentes estudos têm sido publicados com o intuito de aperfeiçoar o desempenho de sistemas de posicionamento pneumáticos, principalmente no que se refere às novas técnicas de controle, estudos do comportamento do atrito em atuadores e a influência da válvula direcional proporcional no desempenho do sistema. As válvulas e os cilindros apresentam limitações comportamentais intrínsecas, devido à compressibilidade do ar, às não-linearidades associadas ao escoamento do ar na válvula e ao atrito mecânico no cilindro. Fatores que tornam os sistemas pneumáticos difíceis de serem controlados. No entanto, parece ser possível melhorar o desempenho de sistemas de posicionamento pneumáticos uma vez que seja alcançado um correto dimensionamento da válvula e do cilindro e a condição operacional do sistema seja perfeitamente compreendida. Em um sistema de posicionamento, a condição operacional que determina o tamanho mínimo exigido para a válvula está estabelecida no ponto médio do trajeto entre as duas posições em estado estacionário, onde a velocidade máxima ocorre. Em caso de sistemas pneumáticos on-off, a condição de estado estacionário com velocidade constante é a exigência operacional do sistema. Neste contexto, o presente trabalho estuda a influência dos valores obtidos de catálogos de fabricantes de válvulas frente aos valores obtidos por meio de ensaios experimentais segundo a Norma ISO 6358 na determinação do ponto de operação de um sistema pneumático. O estudo envolve também a análise das mudanças de temperatura nas diferentes vias de trabalho do circuito pneumático durante o deslocamento do atuador. Em função dos resultados alcançados, válidos tanto para sistemas on-off quanto para sistemas de posicionamento, propõe-se um método de cálculo que auxilie o engenheiro projetista na escolha dos componentes pneumáticos, apresentando um conceito alternativo aos tradicionais métodos de dimensionamento. / In the last years, many studies have been published in order to improve the performance of the pneumatic positioning systems, mainly about new techniques of control, friction behavior in actuators and the influence of the directional proportional valve in the system performance. The valves and the cylinders have intrinsic behavior limitations due to air compressibility, non-linearities associated with the air flow in the valve and mechanical friction on the cylinder. These factors make systems difficult to control pneumatic. However, it seems to be possible to improve the pneumatic positioning systems when it is reached a correct sizing of the valve and the cylinder and when the operational condition of the system is totally understood. In positioning systems, the operational condition that determines the minimum size required for the valve is established in the middle point of the stroke between the two positions in steady state where the high speed occurs. In on-off pneumatic systems, the steady state condition with constant speed is the operating system requirement. In this scenario, this dissertation studies the influence of values obtained from manufacturer catalogs valves compared to values obtained by experimental tests according to ISO 6358 in the determination of the operating point of pneumatic systems. The study also involves the analysis of temperature changes in the different work ports of the pneumatic circuit during the actuator displacement. With the reached results, valid for both on-off systems and positioning systems, it is proposed a calculation method that helps the design engineer in the choice of pneumatic components, presenting an alternative concept against the traditional methods of sizing.

Tese (Doutorado)- Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T08:13:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 280995.pdf: 6780329 bytes, checksum: 39dbfd6fdeed62db1a7ea012a4f6d812 (MD5) / Nos últimos anos, as inovações em sistemas de controle hidráulicos têm recaído, principalmente, em melhorias realizadas sobre conceitos de válvulas consolidadas no mercado há décadas. Tais esforços advêm, em maior parte, de aperfeiçoamentos no projeto mecânico, nos algoritmos de controle e na incorporação de eletrônica digital e de dispositivos eletromecânicos. Por sua vez, a presente tese trata da investigação do controle contínuo de vazão em circuitos hidráulicos empregando um novo conceito, o qual explora os efeitos de reatância do sistema, onde não há fecha-mento e abertura estática de orifícios como realizado tradicionalmente. Para isto, uma válvula de controle contínuo, preliminarmente chamada VRI (válvula rotativa inercial), é empregada como referência para o estudo. Neste panorama, os estudos realizados na tese incidem sobre os assuntos relacionados à fluidodinâmica computacional (CFD). Por conseguinte, com a utilização da ferramenta ANSYS CFX, obtém-se modelos apurados do escoamento do fluido no interior da VRI. Ainda, o software LMS Imagine.Lab AMESim é empregado no aprimoramento do projeto dessa válvula assim como na simulação do seu comportamento em posicionadores hidráulicos. De tal modo, pretende-se mostrar que o princípio no qual o conceito de válvula deste trabalho está fundamentado, o efeito inercial do fluido, se destaca como uma alternativa inovadora no campo de sistemas de controle hidráulicos. Enfim, as conclusões deste estudo permitem visualizar a aplicabilidade deste modo de controle de vazão em alguns circuitos hidráulicos bem como vislumbrar novos conceitos com princípios de funcionamento similares. / In recent years, the hydraulic control systems innovations have been relapsing mainly in improvements accomplished on concept of valves commercially consolidated. In larger part, such efforts come from enhancements in the mechanical design, in the control algorithms and in the digital electronics and electromechanical devices incorporation. In turn, this thesis proposal deals with the investigation of the continuous flow control in hydraulic circuits through a new concept that explores the reactance effects of the system. For that, a valve called preliminarily IRV (Inertial Rotary Valve) was used as a reference for the study. Differently from conventional solutions, there is no static opening and closing of control orifices in this continuous control valve. As a result, this research focuses on issues related to computational fluid dynamics (CFD). In particular, the employment of ANSYS CFX tool enables the achievement of accurated models of the fluid flow within the valve. Moreover, the LMS Imagine.Lab AMESim software is used to optimize the design of IRV as well as to simulate its behavior in hydraulic positioner systems. In this context, one intends to show that the principle, on which the valve concept of this work is based on (the inertial effect of the fluid), stands out as an innovative way in the hydraulic control systems field. Finally, the conclusions of this study allow to verify the applicability of this flow control approach in some hydraulic circuits as well as envisioning new concepts with similar operation principles.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2011 / Made available in DSpace on 2012-10-25T17:28:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 298005.pdf: 1829356 bytes, checksum: fabca492d1997d2cccb9340cd488e35d (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2012-10-25T23:28:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 300884.pdf: 3633458 bytes, checksum: a2e6e161a3fd413605f6e641b1dcc016 (MD5) / Com a crescente necessidade do aumento da precisão e rapidez de resposta dos sistemas hidráulicos de controle de posição, a pesquisa aprofundada do comportamento isolado de componentes hidráulicos tem crescido fortemente haja vista que o conhecimento comportamental detalhado de cada componente pode auxiliar na compreensão de desvios de desempenho do sistema como um todo. A presente dissertação realiza estudos sobre o comportamento de válvulas de controle contínuo dire-cional, especificamente de válvulas de carretel, que são largamente utili-zadas em sistemas hidráulicos de controle de posição, como por exem-plo, no posicionamento do anel distribuidor em usinas hidrelétricas. O trabalho avalia a influência de alguns parâmetros da geometria interna das válvulas em seu comportamento hidráulico. Para isso, é desenvolvi-do um modelo do escoamento interno do fluido tendo como base a e-quação da vazão através de orifícios que, combinado à modelagem da geometria interna e aos modelos do coeficiente de descarga, reproduz o comportamento das pressões e vazamentos no interior da válvula. A modelagem, que contempla diferentes geometrias e tamanhos nominais de válvulas, é validada pelo confronto entre os dados experimentais obtidos através de ensaios padronizados pela Norma ISO 10.770-1 e os resultados das simulações teóricas. As conclusões obtidas permitem estabelecer uma visão geral da influência da folga radial, sobreposição, excentricidade, volume das câmaras e tempo de estabilização do ensaio sobre características comportamentais como comportamento das pres-sões, magnitude do vazamento interno, nível de histerese e posição do centro hidráulico. / With the growing need to increase accuracy and speed response of the hydraulic positioning control systems, the detailed research of the isolated behavior of hydraulic components has grown quite considering that the detailed behavioral knowledge of each component can help to understand the deviations in system performance. This thesis conducts a research on the behavior of directional continuous control valves, spe-cifically spool valves, which are widely used in hydraulic position con-trol systems, for example, in positioning control systems of the distribu-tor ring in hydroelectric power plants. The study evaluates the influence of internal geometric parameters such as radial clearance, overlap length in the hydraulic behavior of the directional control valves. A theoretical model based on the internal fluid flow through orifices is developed that, combining modeling of the internal geometry and discharge coeffi-cient models, reproduces both pressure and leakages inside the valve. The modeling which includes different geometries and valve nominal size is validated by comparison between experimental data obtained from standardized tests by ISO 10.770-1 Standard and simulation results obtained with theoretical model. The conclusions lead to establish a global view of the influence of radial clearance, overlap, eccentricity, chambers volume and pressure settling time in behavioral characteristics such as pressure behavior, internal leakage magnitude, hysteresis and hydraulic center position.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-24T04:50:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 261344.pdf: 36014375 bytes, checksum: 3eb1e82a087c0c9b957c0938cf90c30f (MD5) / Esta dissertação trata do estudo teórico-experimental do comportamento dinâmico de pressão nas câmaras de cilindros em posicionadores hidráulicos com carregamento, visando o auxílio na escolha da combinação de válvulas simétricas e assimétricas e atuadores hidráulicos simétricos e assimétricos. Este estudo é fundamentado na análise comportamental das condições críticas de pressões nas câmaras do cilindro, sob diferentes carregamentos, verificando ocorrência de pontos críticos que são prejudiciais ao sistema. Portanto, os resultados alcançados por meio desse estudo sobre o comportamento das pressões atuantes no sistema de atuação levam à identificação das características estáticas e dinâmicas requeridas para os componentes de posicionadores hidráulicos nas mais diversas configurações. O estudo foi conduzido empregando ferramentas computacionais de análise dinâmica e a validação experimental por meio do equipamento denominado Plataforma Hidráulica Proporcional (PHP). Foi utilizado o efeito de massa aparente causado por aceleração de fluido por dutos de pequeno diâmetro para alcançar um maior efeito inercial no sistema, necessário para as experiências em questão. As simulações computacionais geradas no Matlab/Simulink, por terem sido validadas pelos experimentos, permitiram a obtenção de resultados com carregamentos que não teriam sido possíveis com a bancada disponível, permitindo avaliar situações-limite de utilização de conjuntos válvula proporcional e cilindro.Com isso, este estudo permite conhecer melhor os efeitos de cavitação para algumas configurações de válvula e cilindros hidráulicos sob diferentes carregamentos, fornecendo informações para auxiliar a escolha da combinação mais adequada para o projeto de posicionadores eletro-hidráulicos.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014 / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:17:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 331134.pdf: 2819519 bytes, checksum: a1f63bce26adf52e8599e320d5cdc714 (MD5) Previous issue date: 2014 / O projeto adequado do sistema de sucção é de fundamental importância no desempenho de compressores de refrigeração doméstica, tanto sob o aspecto termodinâmico como em relação à confiabilidade. O presente trabalho apresenta um procedimento de otimização para o sistema de sucção, adotando o algoritmo genético NSGA-II. As eficiências isentrópica e volumétrica são utilizadas como funções objetivo, enquanto a falha estrutural por fadiga de flexão é empregada como restrição para atender a confiabilidade da válvula. Um modelo de simulação do ciclo de compressão foi acoplado ao procedimento de otimização, com o efeito da geometria do sistema de sucção sobre escoamento na válvula sendo caracterizado através de correlações de áreas efetivas de escoamento e de força e a dinâmica da válvula sendo resolvida com o método dos elementos finitos. O procedimento de otimização proposto foi aplicado a um compressor alternativo de refrigeração doméstica, gerando soluções ótimas para a geometria do sistema de sucção, mais eficientes do que o sistema adotado no compressor de referência.<br> / Abstract: The design of the suction system of compressors adopted in household refrigeration is of fundamental importance for efficiency and reliability. This dissertation reports a procedure developed to optimize the suction system of a reciprocating compressor, by using the genetic algorithm NSGA-II. The isentropic and volumetric efficiencies are used as objective functions, while the bending fatigue failure is used as a constraint to meet valve reliability. A simulation model of the compression cycle was coupled to the optimization procedure, in which the effect of suction valve system on the flow was characterized by correlations for effective flow and force areas. The dynamics of the valve was predicted numerically by employing the finite element method. The proposed optimization procedure was applied to a reciprocating compressor of domestic refrigeration, providing optimal solutions to the geometry of the suction system that are more efficient than the original system adopted in the reference compressor.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:20:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 331969.pdf: 2423861 bytes, checksum: f163ca0ab20c7441efcca7143cab918c (MD5) Previous issue date: 2014 / Mesmo com o avanço tecnológico já alcançado, problemas relacionados com a seleção adequada do tipo de válvulas e atuadores e sua integração com dispositivos eletrônicos que efetuam o controle ainda são enfrentadas, uma vez que o processo de projeto para aplicações de válvulas proporcionais ainda não se encontra adequadamente sistematizado. Motivado pelas incertezas enfrentadas nas primeiras etapas de projeto de sistemas hidráulicos, o presente trabalho trata do estudo de interações comportamentais entre válvula e cilindro, assim como a proposição de um método de pré-seleção aplicado a posicionadores eletro-hidráulicos, fundamentado na análise comportamental das pressões no sistema de atuação, sob o efeito de carregamento. Por meio do estudo do comportamento do efeito das pressões atuantes no sistema de atuação, foi possível identificar, de forma sistematizada, as características estáticas e dinâmicas requeridas para os componentes do posicionador nas mais diversas configurações. O presente trabalho envolveu as fases preliminares de projeto de sistemas de posicionamento eletro-hidráulicos, avaliando concepções de sistemas de atuação e alcançando a seleção de válvulas proporcionais e de atuadores, com a finalidade de atender as especificações estáticas e dinâmicas do equipamento. Os trabalhos fo-ram conduzidos empregando ferramentas computacionais de análise dinâmica e a validação experimental ocorreu por meio do equipamento denominado Plataforma Hidráulica Proporcional (PHP). As conclusões deste estudo esclarecem e solucionam eventuais problemas na seleção de um sistema projetado incorretamente, validando um critério de escolha de válvula e cilindro para projeto de posicionadores eletro-hidráulicos.<br> / Abstract : Even with the technological advances already achieved, problems related to the proper selection of the type of valves and actuators and its integration with electronic devices, that perform the control, are still addressed, since the design process for proportional valves applications are not suitably systematized. Motivated by the uncertainties addressed during the first stages of electro-hydraulic systems, this study deals with the behavioral interactions among valve and cylinder, as well as propos-ing a method of presetting applied to electro-hydraulic positioning sys-tems, based on behavioral analysis of pressures in the system, under the loading effects. Through the study of behavioral pressures effects on the system performance, was possible to identify the static and dynamic characteristics required for the components in several types of configu-rations, in a systematic way. This study involved preliminary phases of electro-hydraulic positioning systems design, evaluating conceptions of actuation systems and increasing the selection of proportional valves and actuators, in order to meet the static and dynamic specifications. This work was carried out using computational tools for dynamic analy-sis and experimental validation came through equipment called Propor-tional Hydraulic Platform (PHP). The study conclusions clarify and resolve potential problems of incorrectly system designed selection, validating a criterion for selection of valve and cylinder for electro-hydraulic positioning systems design.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2016-01-08T15:41:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 81740.pdf: 7065040 bytes, checksum: 6cd1ca002332a56d9b062b3731ed3e2a (MD5) Previous issue date: 1987 / O presente trabalho é uma análise numérica, com validação experimental, do escoamento laminar, incompressível e isotérmico em difusores radiais. A motivação do trabalho veio da importância que a geometria dos difusores radiais tem no estudo do desempenho de sistemas de válvulas de compressores herméticos. São analisados o ecoamento para pequenos afastamentos entre os discos e, para afastamentos mais elevados, a influência do comprimento do orifício de passagem sobre o escoamento. Perfis de pressão sobre o disco frontal, e as respectivas forças resultantes, são apresentados a fim de se determinar a influência do afastamento entre os discos, do número de Reynolds e do comprimento do orifício de passagem sobre o escoamento. A bancada experimental é detalhada e são discutidos alguns aspectos importantes na tomada dos dados com o intuito de fornecer recomendações para a elaboração de análises experimentais em difusores radiais. Para pequenos afastamentos entre os discos, concluiu-se que a distribuição de pressão sobre o disco frontal é extremamente dependente do afastamento. Para determinadas combinações do número de Reynolds e do afastamento entre os discos, a distribuição de pressão apresenta regiões de pressão negativa. Nos maiores afastamentos analisados a região de pressão negativa é tão grande que passa a existir uma força de atração entre os discos. Observou-se também que, mesmo para os maiores afastamentos analisados neste trabalho, o comprimento do orifício de passagem não afeta o escoamento no difusor.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2013-06-25T22:56:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 309933.pdf: 3604884 bytes, checksum: 754252aea2bd0f14bba21567b119622b (MD5) / A fadiga é responsável por grande parte das falhas de componentes e estruturas no campo até os dias atuais. Um projeto confiável deve levar em consideração o maior número de fatores que podem influenciar na vida em fadiga, como históricos de carregamentos e dados de materiais. Nem sempre os dados disponíveis são adequados para a aplicação, sendo necessário desenvolver testes que representem da maneira mais próxima possível a condição real de funcionamento do componente. Este trabalho detalha o desenvolvimento de uma máquina que utiliza o princípio da ressonância para realizar ensaios de fadiga. As principais vantagens do equipamento apresentado são o baixo custo de construção, baixo consumo de energia, alta durabilidade, alta velocidade de ensaios e flexibilidade. No desenvolvimento da máquina ressonante de fadiga foram utilizados corpos de prova que representam válvulas de compressores herméticos para refrigeração. As válvulas estão sujeitas a flexão durante a operação, e o conhecimento do seu comportamento ao longo do tempo é essencial na fase de projeto. Foi construído um protótipo e realizado um estudo de caso onde foi levantada a curva de tensão-vida para um aço inoxidável utilizado na fabricação das válvulas. Com base neste trabalho podem ser desenvolvidas máquinas para testar diversos tipos de carregamentos e corpos de prova e até mesmo componentes reais. / Fatigue is responsible for a great share of all failures that occurs in components and structures in nowadays. A reliable project must consider as many factors as possible that have influence in the fatigue life, i.e. load histories and material data. The data is not always available, being necessary to develop tests that represent as close as possible the real working conditions or the part. This work details the development of a machine that uses the resonance principle to perform fatigue test. The advantages of the equipment are low manufacturing cost, low energy consumption, elevated durability, high test speeds and flexibility. In the development of the resonance fatigue machine, specimens that represent valves of hermetic compressors were used. The valves are subjected to flexion during its operation and the knowledge of its behavior during time is essential in the project phase. A prototype was built and a case study was carried out to determine the stress-life curve of a stainless steel commonly used to manufacture valves. Based on this work machines to test several load types and specimens and even real components may be built.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2012 / Made available in DSpace on 2013-06-26T00:37:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 314351.pdf: 6393806 bytes, checksum: eaf24ac190532af409e6f4ad9fb7d4cd (MD5) / Compressores de refrigeração adotam válvulas automáticas que abre e fecham em função da diferença de pressão entre a câmara de compressão e as câmaras de sucção e descarga. A especificação dessas válvulas é um dos passos mais importantes do projeto de um compressor de alta eficiência. Por exemplo, se a vedação da válvula não é completa, devido a irregularidades superficiais ou desalinhamentos, vazamento de gás pode ocorrer e reduzir de forma significativa o desempenho do compressor. Esta dissertação apresenta um modelo de simulação desenvolvido para prever vazamento de gás em válvulas de compressores. O óleo lubrificante em compressores também atua como elemento vedante em válvulas. No entanto, uma vez que pouca informação está disponível sobre a quantidade de óleo que realmente existe entre a válvula e o assento, a presença do óleo foi desprezada no modelo. A diferença de pressão entre a câmara de compressão e as câmaras de sucção e de descarga origina a força motriz do vazamento de gás em válvulas. O modelo proposto assume uma formulação de escoamento unidimensional através do micro canal formado entre a válvula e o assento, considerando os efeitos de atrito viscoso, compressibilidade, rarefação do gás e flexão da válvula devido ao carregamento de pressão. Simulações são realizadas para uma faixa ampla de diferenças de pressão que atuam sobre o escoamento na folga da válvula ao longo do ciclo de compressão de um compressor alternativo de refrigeração doméstica. Os resultados mostram que o vazamento de gás nas válvulas de sucção e descarga podem comprometer as eficiências volumétrica e isentrópica do compressor e que a flexão da válvula e a rarefação do gás são parâmetros muito importantes da análise.<br> / Abstract : Refrigeration compressors adopt valves that automatically open due to the pressure difference between the compression and suction/discharge chambers. The specification of such valves is one of the most important steps in the design of a high efficiency compressor. For instance, if the sealing of the valve is not complete due to surface irregularity or misalignment, gas leakage will occur and significantly reduce the compressor performance. This thesis reports a simulation model developed to predict gas leakage in compressor valves. The lubricating oil in compressors acts also as a sealing element for valves. However, since very little information is available about the amount of oil that is actually present between the valve and its seat, the presence of oil has been neglected in the model. The pressure difference between the compression and suction/discharge chambers is the driving force of gas leakage through valves. The model developed in the present work assumes a one-dimensional flow through the micro channel formed between the reed valve and its seat, considering the effects of viscous friction, compressibility, gas rarefaction and valve bending into the port due to pressure load. Computations are carried out for a wide range of pressure differences that prevail in the valve clearances during the complete compression cycle of a small reciprocating compressor designed for household refrigeration. Results show that gas leakage in the suction and discharge valves significantly affect the compressor volumetric and isentropic efficiencies and that valve bending and gas rarefaction are very important parameters of the analysis.