AUMENTO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS … · De Negri (2012). A forma mais comumente...

AUMENTO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS HIDRÁULICOS UTILIZANDO

HIDRÁULICA DIGITAL

HENRI C. BELAN1, CRISTIANO C. LOCATELI2, LUCIANO ENDLER3, EDSON R. DE PIERI3 E VICTOR J. DE NEGRI2

1Área de Mecânica, Dep. de Ensino, Instituto Federal de Santa Catarina, Campus Chapecó

89.813-000, Seminário, Chapecó - SC, Brasil 2Lab. de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos, Dep. de Eng. Mecânica, Univ. Fed. de Santa Catarina

88040-900, Trindade, Florianopolis - SC, Brasil. 3 Lab. de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos, Dep. de Automação e Sistemas, Univ. Federal de Santa Catarina

88040-900, Trindade, Florianopolis - SC, Brasil.

E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract Hydraulic systems are currently used in several applications that require control of large loads and high power den-

sity. However, the energy efficiency of these systems is considerably lower than those presented by electric systems. In an at-

tempt to find solutions, digital hydraulics is a new technology that presents alternatives to increase the efficiency of hydraulic

systems. In this context, the aim of this paper is to present researches that are currently being developed in the area and a new

proposed classification. It is noteworthy that the definitions and classifications remain open according to leading researchers in

digital hydraulics. In this paper a distinct classification of four functional units will be applied, which were previously used for

traditional hydraulic systems. As result, it is expected to stimulate researches in the Brazilian community about digital hydrau-

lics and submit a proposal of common technical terms in Portuguese.

Keywords hydraulic systems, digital hydraulic, energy efficiency.

Resumo Sistemas hidráulicos são atualmente utilizados em diversas aplicações que exigem controle de grandes cargas e alta

densidade de potência. Todavia, a eficiência energética destes sistemas é consideravelmente inferior às apresentadas por siste-

mas elétricos. Na tentativa de encontrar soluções, a hidráulica digital é uma tecnologia que vem apresentando novas alternativas

para ampliar o rendimento de sistemas hidráulicos. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é apresentar as pesquisas que estão

sendo desenvolvidas atualmente na área e uma nova proposta de classificação. Destaca-se que as definições e classificações ain-

da estão em aberto, de acordo com os principais pesquisadores em hidráulica digital. Neste trabalho será aplicado uma classifi-

cação distinta em quatro unidades funcionais que anteriormente eram utilizadas para sistemas hidráulicos tradicionais. Como re-

sultado, espera-se estimular a comunidade brasileira a desenvolver pesquisas no âmbito de hidráulica digital e apresentar uma

proposta para os termos técnicos comuns em português.

Palavras-chave sistemas hidráulicos, hidráulica digital, eficiência energética.

1 Introdução

Sistemas hidráulicos têm como característica inerente

a transmissão de energia por meio de um líquido e

constituem uma das principais formas de transmissão

de força e torque. A baixa relação peso/potência e a

rápida resposta dinâmica são as principais caracterís-

ticas desta tecnologia (Rexroth, 2006, Ivantysynova,

2008, Tanaka and Sakama, 2013). Segundo Achten

(2010), não há alternativa elétrica ou mecânica que

apresente um desempenho similar aos cilindros hi-

dráulicos em termos de robustez, densidade de po-

tência e controlabilidade.

Todavia, contrariando a grande preocupação

atual da sociedade no que diz respeito à sustentabili-

dade, os sistemas hidráulicos também são conhecidos

por apresentar uma baixa eficiência energética

(Linjama, 2009). Por sua vez, a justificativa para o

baixo rendimento do sistema não está diretamente

associada às características dos componentes de atu-

ação, pois estes de maneira geral apresentam uma

boa eficiência (Heikkilä and Linjama, 2013). Como

exemplos, podem ser citados as bombas e os motores

hidráulicos, os quais apresentam atualmente rendi-

mento em torno de 90 % (Achten, 2010).

Considerando que existem condições e necessi-

dades para melhora do rendimento sistemas hidráuli-

cos, linhas de pesquisa com estratégias diversificadas

estão surgindo com mais força nas últimas duas dé-

cadas. Neste sentido, a hidráulica digital tem se mos-

trado como uma promissora tecnologia para enfrentar

estes desafios, sendo que, apesar de muitas das ideias

da hidráulica digital terem sido apresentadas há dé-

cadas, somente há poucos anos as pesquisas neste

campo alcançaram um desenvolvimento relevante

(Linjama, 2011).

De acordo com (Scheidl et al., 2012); em seu ar-

tigo “Digital é o futuro da hidráulica?”1 a hidráulica

digital possui consideráveis vantagens quando com-

parada com a tecnologia analógica tradicional, a

exemplo da alta eficiência, robustez e elevada capa-

cidade de padronização dos componentes. Há traba-

1 Tradução dos autores. O termo fluid power em português é ex-

presso como hidráulica e pneumática. Porém o artigo citado trata

de hidráulica somente. Título original: Is the future of fluid power

digital?

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

707

mailto:[email protected]

lhos que por meio da hidráulica digital conseguiram

comprovar o aumento de rendimento energético

(Linjama, 2009, Heitzig et al., 2012, Kogler et al.,

2013, Theissen et al., 2013, Dell’Amico et al., 2013,

Karvonen et al., 2014, Ketonen et al., 2014).

Em uma das maiores áreas de aplicação da hi-

dráulica, Burget and Weber (2012) apresentam uma

análise positiva sobre o crescimento do mercado mó-

bil mundial e indicam tendências para melhorar de

eficiência das máquinas em até 40%, sendo que entre

as possibilidades está a aplicação da hidráulica digi-

tal e o uso de sistemas híbridos.

Aliando os resultados da eficiência energética às

normas mundiais de redução de poluentes, centros de

pesquisas mundiais estão desenvolvendo trabalhos na

área de hidráulica digital. Neste contexto de inova-

ção, o Brasil está apenas iniciando as pesquisas e

apresenta um grande potencial de crescimento.

Com o intuito de demonstrar à sociedade de pes-

quisa brasileira os benefícios da técnica, este artigo

tem como objetivo apresentar as características e

tendências da hidráulica digital, evidenciando como

esta tecnologia pode melhorar o rendimento dos sis-

temas hidráulicos.

Tendo em vista que não há conhecimento sobre a

existência de referências em português sobre o assun-

to, este trabalho também sugere o uso de alguns ter-

mos técnicos para a tradução. Outrossim, também é

apresentado neste trabalho uma nova proposta de

classificação para os sistemas digitais.

2 Sistemas Hidráulicos Tradicionais

De acordo com Linsingen and De Negri (2012) e

Linsingen (2013) um sistema hidráulico pode ser

entendido como um conjunto de componentes inter-

conectados que permite a transmissão e controle de

força e movimento, sendo que, uma associação apro-

priada destes componentes permite diferenciar as

funções de um circuito tradicional em quatro unida-

des: Conversão Primária, Limitação/Controle, Con-

versão Secundária e Reservatório/Condicionamento.

Na Figura 1 pode ser observado um circuito hi-

dráulico aberto tradicional. O circuito foi subdividido

nas quatro unidades básicas, segundo Linsingen and

De Negri (2012).

A forma mais comumente utilizada em sistemas

hidráulicos atualmente é o controle da pressão e va-

zão por meio de válvulas que possuem orifícios que

restringem a passagem do fluido. Estas válvulas con-

sistem em elementos resistivos que requerem uma

diferença de pressão (perda de carga) para a efetiva-

ção do controle da vazão ou pressão (De Negri et al.,

2014, Scheidl et al., 2008). Neste sentido, o principal

objetivo dos sistemas hidráulicos digitais é a redução

da influência dos elementos resistivos a passagem do

fluido no controle da potência hidráulica, com o in-

tuito de aumentar o rendimento do sistema. O uso da

hidráulica digital amplia as possibilidades de uso de

técnicas regenerativas.

M

Unidade de Conversão Secundária

Unidade de Limitação e

Controle

Unidade de Conversão Primária

Unidade de Condicionamento

e Reservatório

Figura 1. Circuito Hidráulico Aberto. Simbologia segundo a nor-

ma ISO 1219 (2006).

Este raciocínio não necessariamente afirma que a

hidráulica tradicional está aproximando-se do seu

limite, mas reforça uma reflexão sobre a necessidade

de oferecer novas possibilidades tecnológicas para a

resolução dos problemas enfrentados pelos sistemas

hidráulicos.

Além do uso da hidráulica digital, outras linhas

de pesquisas estão sendo desenvolvidas com o mes-

mo objeto de aumento de eficiência como, por exem-

plo, o uso de sistemas sensíveis ao carregamento (lo-

ad sensing), transmissões hidrostáticas, sistemas ana-

lógicos de reaproveitamento de energia e desenvol-

vimento componentes mais eficientes (Achten, 2010).

3 Hidráulica Digital

A definição de hidráulica digital e a sua classificação

tem sido fruto de discussões na comunidade acadê-

mica (Achten et al., 2013), deixando estes conceitos

em aberto.

A definição mais referenciada é a proposta por

Linjama (2011), que diz que sistemas hidráulicos

digitais são “sistemas hidráulicos que possuem com-

ponentes discretos os quais controlam ativamente a

saída do sistema”.

Entretanto, as discussões estão um pouco mais

inconclusivas com relação à classificação das abor-

dagens. A exemplo, Wang et al. (2011) comentam

que os sistemas digitais podem ser classificados em

sistemas que aplicam válvulas on/off tradicionais, os

que usam válvulas on/off conectadas em paralelo e os

que utilizam válvulas de rápida comutação (ou rápido

chaveamento2). De qualquer forma, tendo em vista a

ausência de convenções, neste trabalho será proposta

2 A tradução para “chaveado” é referente à adotada em fontes

eletrônicas chaveadas. Por sua vez, o uso do termo “comutação”

faz referência à mudança de posição de válvulas hidráulicas. Ter-

mo em inglês “switching”.


708

uma classificação de acordo com as quatro unidades

funcionais sugeridas por Linsingen and De Negri

(2012) e Linsingen (2013).

Por sua vez, o objetivo dos sistemas hidráulicos

digitais está claramente definido e almejam reduzir a

dissipação de energia ocasionada pelo uso de elemen-

tos resistivos. Entre as abordagens utilizadas estão

substituição por elementos, ou combinações destes,

que ofereçam menor perda de carga ou o uso de sis-

temas que apresentem indutância como efeito predo-

minante.

Pesquisadores que atuam na área destacam que a

hidráulica digital possui uma série de potenciais van-

tagens em relação aos sistemas tradicionais (Linjama,

2011, Scheidl et al., 2012):

Componentes robustos e confiáveis;

Menor influência de contaminantes;

Redundância a partir do uso da técnica de

conexões em paralelo;

Componente padronizado e de menor custo;

Alta eficiência.

Entretanto, a hidráulica digital também possuí

consideráveis desafios (Linjama, 2011, Achten et al.,

2013):

Ruído e oscilações de pressão;

Durabilidade e vida útil com a técnica de

comutação;

Tamanho físico e preço com a técnica de

conexão em paralelo;

Controle difícil e não convencional.

Nas seguintes seções serão discutidas algumas

das pesquisadas em hidráulica digital.

4 Abordagens em Sistemas Hidráulicos Digitais

Conforme mencionado na segunda seção, as pesqui-

sas existentes serão classificadas de acordo com as

quatro unidades funcionais sugeridas por Linsingen

and De Negri (2012) e Linsingen (2013). Segundo

esta classificação, a energia mecânica de entrada, a

qual é resultado de uma conversão externa de energia

química ou elétrica, sofre uma conversão primária

para energia hidráulica. Utilizando sinais ou informa-

ções do operador ou de outro equipamento a energia

hidráulica é limitada e condicionada, para se tornar

apropriada para a conversão secundária em energia

mecânica por atuadores. Por sua vez, a energia mecâ-

nica é utilizada para movimentar uma carga externa.

A unidade de reservatório e condicionamento inclui

controle de contaminantes e temperatura e não será

abordada neste trabalho (Figura 1).

4.1 Unidades de Conversão Primária

Encaixam-se nesta classificação os conjuntos de

componentes conhecidos na comunidade de pesquisa

internacional como bombas digitais. Atualmente, os

estudos, ainda em fase de protótipo, utilizam um con-

junto de válvulas e bombas para conseguir desempe-

nhar a função de conversão desejada. Este aspecto

pode gerar discussões se as válvulas aqui englobadas

pertencem a esta unidade ou à de limitação e contro-

le. Todavia, optou-se por esta classificação conjunta

por considerar que o objetivo é unicamente o supri-

mento de energia hidráulica e que o produto físico

final será único, a exemplo de bombas com variação

de vazão e compensação de pressão.

A Figura 2 (a) apresenta uma bomba digital ba-

seada no conceito de chaveamento rápido. O conceito

possui uma unidade de deslocamento fixo cuja vazão

é continuamente comutada entre a linha de suprimen-

to e o reservatório. Diferentes técnicas de controle de

chaveamento da válvula podem ser aplicadas

(Schepers et al., 2012).

A bomba digital apresentada na Figura 2 (b)

consiste em um determinado número de bombas de

deslocamento fixo no mesmo eixo, sendo que cada

unidade pode ser conectada ao sistema ou ao reserva-

tório de forma independente. Esta configuração é

baseada em conexões em paralelo e cada unidade

possui uma válvula on/off que define se a unidade

opera com carga ou em vazio. Diferentes sequências

matemáticas podem ser utilizadas para definir o ta-

manho de cada unidade (Linjama, 2011, Uusitalo,

2010).

M

M

1/0

1/0

1/0

a) b)

Figura 2. Configurações de bombas digitais. a) chaveamento

rápido b) Conexões em paralelo.(Linjama, 2011).

Nas bombas digitais do tipo pistão, cada pistão

pode ser controlado por válvulas on/off. Podem ser

classificadas como bomba (Figura 3) ou bomba-

motor. Estas bombas operam de forma similar às

bombas digitais do tipo unidade de deslocamento

fixo, entretanto, podem operar com cursos parciais de

bombeamento (Linjama, 2011). Na configuração

bomba, cada pistão pode operar suprindo vazão para

o sistema ou em vazio. A configuração bomba-motor

diferencia-se por incluir a operação em motor, além

dos modos já citados. Estas configurações necessitam

de contínua comutação das válvulas de controle.

Atualmente, apenas a empresa denominada Ar-

temis3 produz este equipamento em nível comercial.

Há estudos deste equipamento para diversas aplica-

ções, como em energia das marés, veículos pesados,

veículos leves e na área industrial. Rampen (2006)

3 http://www.artemisip.com/.


709

apresenta um estudo de aplicação desta bomba-motor

em uma turbina eólica.

Figura 3. Bomba de pistões digital. (Linjama, 2011).

A principal vantagem deste tipo de bomba é a al-

ta eficiência em relação aos sistemas tradicionais

(Wadsley, 2011). A potência requerida para geração

de energia hidráulica em uma bomba é resultado da

multiplicação da vazão pela pressão. Neste sentido,

estas bombas digitais reduzem o consumo de energia

reduzindo a vazão de saída da bomba, quando está

não é necessária.

Bombas de deslocamento variável, com compen-

sação de pressão e que operam segundo a pressão

solicitada pelo sistema (load sensing) são uma alter-

nativa analógica para aumento da eficiência. Compa-

rativamente, estudos como o de Merrill et al. (2010)

mostram que as bombas/motores de deslocamento

variável apresentam uma eficiência maior que 90 %

quando operam em máximo deslocamento. Entretan-

to, em deslocamentos da ordem de 20 %, a eficiência

reduz para valores em torno de 60 a 80 %. Esta redu-

ção de eficiência não é observada nas bombas digi-

tais do tipo pistão, as quais apresentam uma eficiên-

cia maior que 90%, mesmo para deslocamentos na

ordem de 20 %.

Por fim, uma variação da associação de bombas

e válvulas digitais é o sistema de gerenciamento de

potência hidráulica digital (Figura 4). O Sistema de

gerenciamento de potência hidráulica digital

(DHPMS - Digital Hydraulic Power Management

System) é uma nomenclatura usada por Linjama

(2011) para designar um sistema composto por um

conjunto de bombas/motores de deslocamento fixo

ou variável os quais possuem um determinado núme-

ro de saídas independentes controladas por válvulas

on/off.

Cada saída do DHPMS comporta-se como uma

bomba-motor digital. As pressões e a direção da va-

zão na saída são arbitrárias e praticamente não possui

efeito nas perdas do sistema. Isso significa, por

exemplo, que a energia hidráulica a partir da redução

de uma carga pode ser recuperada para o acumulador

ou enviada para outra saída, mesmo se a pressão do

acumulador é maior que a pressão da carga. Assim, a

capacidade de armazenamento do acumulador pode

ser aproveitada integralmente.

O sistema de gerenciamento de potência pode ser

dividido em três tipos de saídas independentes. A

primeira das saídas é a linha de baixa pressão (LP -

low pressure), a qual normalmente é a linha de retor-

no pressurizada. A segunda, opcional, é a linha de

alta pressão (HP - high pressure), na qual está conec-

tado o acumulador. Por último, têm-se as saídas para

os atuadores (A, B, C e assim por diante), as quais

dependem do sistema a ser controlado (Linjama and

Huhtala, 2010). Uma das possíveis aplicações do

DHPMS é a sua conexão direta com o atuador a fim

de reduzir as perdas do sistema, entretanto, há desa-

fios em relação a sua funcionalidade.

Figura 4. Sistema de gerenciamento de potência hidráulica digital.

(Linjama, 2011).

4.2 Unidades de Limitação e Controle

Conforme já mencionado, o controle e limitação

das variáveis pressão e vazão em sistemas tradicio-

nais são normalmente realizados por controle de ori-

fícios, os quais de forma resistiva provocam uma

perda de carga. Em sistemas digitais a estratégia é

justamente reduzir o efeito resistivo imposto pelos

orifícios.

Uma alternativa é o controle por meio de associ-

ação em paralelo de válvulas. As válvulas conectadas

em paralelo com a finalidade de alimentar uma câma-

ra do atuador são consideradas como Unidade de

controle de vazão digital (DFCU – Digital flow con-

trol unit) (Figura 5 (a)). Como pode ser observado,

depois de cada válvula on/off, há uma restrição, sen-

do esta opcional. A restrição é utilizada para situa-

ções onde se deseja limitar a vazão de uma das válvu-

las para então obter uma determinada sequência de

valores vazão. Visto que no diagrama de circuito

hidráulico é inconveniente apresentar dezenas de

válvulas on/off, a Figura 5 (b) apresenta uma repre-

sentação simplificada de uma DFCU. A Figura 5 (c),

por sua vez, apresenta um esquema de quatro DFCUs

para controlar um atuador. As unidades de controle

de vazão digital B-T e A-T possibilitam que a vazão

seja direcionada das câmaras B e A do atuador para o

reservatório. As DFCUs P-B e P-A permitem que a

vazão da fonte de pressão seja direcionada para as

câmaras B e A do atuador.

Por meio de restrições ou do uso de diferentes

tamanhos de válvulas, pode ser ajustada a capacidade

de vazão de cada válvula que compõem a DFCU.

Logo, pode-se criar uma determinada sequência de

valores de vazão em cada DFCU. Esta sequência

pode seguir diversos padrões, como potência de dois

(1,2,4,8 ...), Fibonacci (1,1,2,3,5, ...), modulação por

número de pulsos (1,1,1,1, ...), dentre outros

(Linjama, 2011, Uusitalo, 2010).


710

1/0 1/0 1/0

a) b)

B-TP-BP-A

A-T

BA

c)

Figura 5. a) Unidade de controle de vazão digital -, b) Simbologia

da DFCU e c) Conjunto de DFCUs para utilização em atuador.

(Linjama, 2011).

Em Linjama and Vilenius (2005) as propriedades

do controle de vazão na entrada e na saída (separate

meter-in and separate meter-out control – SMISMO)

são combinadas com as válvulas on/off, constituindo

quatro DFCU para o controle de dois atuadores em

paralelo. O objetivo dos autores é evidenciar a possi-

bilidade de controle do movimento de um atuador

com uma considerável eficiência energética por meio

do uso de válvulas on/off de baixo tempo de resposta.

Foram obtidos resultados, por meio de simulação,

que apresentam uma redução de 36 % na perda de

potência quando comparado com os sistemas hidráu-

licos tradicionais. Cita-se também os trabalhos de

Huova et al. (2010) e Huova and Linjama (2012)

para reforçar a capacidade de redução da perda de

energia dos sistemas que empregam válvulas digitais

conectadas em paralelo. Estes trabalhos apresentam

índices de redução de perdas em torno de 33 % a 71

%, dependendo do tipo de movimento, carregamento

e método de controle, quando comparado aos siste-

mas hidráulicos tradicionais.

Outra alternativa para o controle da potência hi-

dráulica de forma digital é por meio do uso da

inertância do fluído. Nestes sistemas a proposta é

adaptar as técnicas bem sucedidas de fontes eletrôni-

cas chaveadas para sistemas hidráulicos (Brown,

1987).

O uso de válvulas de rápida comutação é a prin-

cipal característica dos sistemas hidráulicos chavea-

dos (Switching Hydraulic Systems). Ao contrário dos

sistemas digitais paralelos, que utiliza muitas válvu-

las dispostas em paralelo, os sistemas chaveados ne-

cessitam de um pequeno número de válvulas e estas

são comutadas a uma alta frequência.

A saída destes sistemas é determinada pela lar-

gura e frequência dos pulsos de chaveamento da vál-

vula. Algumas técnicas podem ser empregadas para o

controle do chaveamento (Schepers et al., 2012) co-

mo, por exemplo, a técnica de modulação por largura

de pulso (Pulse Width Modulation – PWM).

A Figura 6 (a) mostra o exemplo de um conver-

sor hidráulico chaveado do tipo Step-up ou Boost.

Neste circuito, quando o caminho da vazão for P-T a

pressão interna ( Sinp ) reduz e o fluído é acelerado no

tubo. Quando a válvula é comutada (P-A e T bloque-

ado) o momento de inércia do fluído no tubo causa

um aumento da pressão interna e consequentemente

aumenta a pressão da carga ( Lp ). Na sequência, o

pórtico da carga será fechado enquanto o fluido é

novamente acelerado. A Figura 6 (b) apresenta o

circuito elétrico equivalente e a Figura 6 (c) o sinal

PWM aplicado à válvula de rápida comutação.

pS

P TpSin

qVS

qVT

pT

A

L

(C)

(R)

pL

Carga

Principal

qVL

CL qVML

qVCL

qVI

TswλTsw t

Uc

P-T

0

c)

1

P-A

a)

b)

iS

iTVS CL

LVL

VT

iL iML

iCL

iI

Carga

Principal

Tubo

Longo

Figura 6. Conversor Hidráulico Chaveado - Step-up ou Boost. a)

Circuito Hidráulico, b) Circuito Elétrico e c) Sinal PWM. (De

Negri et al., 2014).

Scheidl et al. (2008) e Kogler and Scheidl

(2008) apresentam outros exemplos para estes tipos

de sistemas. Guglielmino et al. (2010) apresentam

resultados de uma aplicação de um conversor hidráu-

lico do tipo Buck para controle de potência em robó-

tica, na qual obteve ganho de rendimento de até 50%

em relação ao uso de uma válvula proporcional.

Kogler et al. (2013) também apresentam resultados

equivalentes para simulações com base em parâmetro

específicos e modelos validados sobre um protótipo

desenvolvido na Áustria.

4.3 Unidades de Conversão Secundária

A Figura 7 apresenta configurações de motores

digitais, os quais apresentam semelhanças quando

comparados com as bombas digitais. A configuração

de rápida comutação, evidenciada na Figura 7 (a),

altera continuamente entre torque completo e nulo,

enquanto que a configuração baseada em conexões

em paralelo, Figura 7 (b), possui diversos motores

hidraulicamente independentes no mesmo eixo, no

qual o deslocamento volumétrico do conjunto pode

ser configurado de acordo com as necessidades do

sistema (Linjama, 2011).

Em linhas gerais, as pesquisas com atuadores di-

gitais são majoritariamente focadas em cilindros. Por

meio de uma ótica ideal, os cilindros digitais teriam

as áreas de suas câmaras ajustadas de forma contínua.

Porém, isso é difícil ou talvez impossível. Entretanto,

há soluções que possuem um número definido de

áreas do atuador (Figura 8). Estes atuadores são cha-

mados atuadores multicâmaras pois possuem mais de

duas câmaras.


711

a) b)

Figura 7. Motores digitais. a) Sistema Chaveado b) Sistema Para-

lelo. (LINJAMA, 2011).

A Figura 8 (a) mostra um atuador com três câ-

maras, sendo este o caso mais simples. O comporta-

mento deste atuador, assim como o seu método de

controle foi estudado por Huova and Laamanen

(2009). Neste trabalho, a partir do uso de válvulas

digitais e um método de controle inteligente, os auto-

res alcançaram uma redução de até 66 % das perdas

de energia no movimento do atuador quando compa-

rado com os sistemas hidráulicos tradicionais que

utilizam válvulas proporcionais e bombas load sen-

sing.

a) b)

Figura 8. Cilindros digitais. (a) Três câmaras. (b) Quatro câmaras.

(Linjama et al., 2009).

Uma variação é o atuador com quatro câmaras.

A Figura 8 (b) mostra uma equivalência para dois

atuadores ligados em paralelo, mas que também pode

apresentar estrutura compacta, similar à Figura 8 (a).

De acordo com Linjama (2011) quatro câmaras em

uma mesma estrutura de atuador é praticamente o

limite máximo de câmaras. O número de valores de

força possíveis é dado por NM, onde N é o número de

diferentes níveis de pressões de suprimento e M é o

número de câmaras.

A abordagem dos atuadores multicâmaras faz

mais sentido quando válvulas digitais são aplicadas

para o seu controle. Em Linjama et al. (2009) é apli-

cado o método de controle de posição “secondary

control” em um atuador com quatro câmaras, mas

para tanto, utilizando um controle de força em uma

malha interna. São utilizadas duas linhas de pressão

(alta e baixa pressão), em que cada linha pode se

conectar com cada câmara do atuador por meio das

válvulas on/off. Com isso, 16 níveis distintos de força

são obtidos para o atuador, o qual depende do estado

das válvulas on/off e da pressão nas linhas. De acordo

com os autores, foi possível reduzir em mais de 60%

a perda de energia, quando comparado com o sistema

tradicional baseado em load sensing. Este resultado é

possível devido à recuperação de energia e das meno-

res perdas por restrição. Um método de controle si-

milar foi usado por Huova et al. (2010) na aplicação

do atuador multicâmaras para um equipamento mó-

bil, onde foram obtidos resultados equivalentes.

Teixeira (2012) e Dell’Amico et al. (2013) também

apresentam trabalhos utilizando atuadores com qua-

tro câmaras para aplicação em uma retroescavadeira.

Neste último caso foram utilizados três níveis dife-

rentes de pressão, sendo possível obter 81 diferentes

níveis de força.

4.4 Associação de Bombas e Válvulas Digitais

A associação de bombas e válvulas digitais con-

siste na união das tecnologias apresentadas nas Se-

ções 4.1 e 4.2 para controlar diretamente o movimen-

to de um ou mais atuadores.

O uso de unidades de deslocamento fixo associ-

adas às válvulas on/off para controlar diretamente o

atuador é estudado atualmente pelo IFAS (Institute

for fluid power drives and controls). Os circuitos

hidráulicos propostos podem ser vistos na Figura 9, a

qual mostra a proposta de sistema hidráulico digital

em circuito aberto (Heitzig et al., 2012). Os autores

também propõem um sistema em circuito fechado

que pode operar em modo bomba, motor e em vazio.

Heitzig and Theissen (2011) realizam compara-

ções entre o uso de bombas analógicas e digitais.

Também é analisado o uso compartilhado de uma

bomba digital, onde uma bomba digital é utilizada

para o controle de dois ou mais atuadores. As carac-

terísticas do sistema para diferentes números e tama-

nhos das bombas também são investigadas. De acor-

do com os estudos apresentados, as bombas digitais,

tanto na configuração compartilhada ou não, apresen-

tam uma relevante eficiência quando comparada com

as bombas tradicionais de deslocamento variável. É

importante comentar que as bombas de deslocamento

variável analógicas possuem perdas consideráveis

quando operam abaixo da sua capacidade de máxima

carga. Já as bombas digitais são o oposto. Suas per-

das dependentes da pressão, como vazamentos e atri-

to, são reduzidas quando a bomba opera em condi-

ções parciais de carga. O trabalho de Heitzig et al.

(2012) apresenta estudos que comparam as gradua-

ções de bombas de potência de base dois e três em

relação à precisão, eficiência e comutação das válvu-

las. Também é realizado um estudo sobre os tempos

de atraso das válvulas para o acionamento e desliga-

mento, de forma a melhorar o desempenho do siste-

ma e evitar curtos-circuitos.

Figura 9. Proposta de sistema hidráulico digital (Heitzig et al.,

2012).


712

4 Conclusão

Conforme apresentado, é possível vislumbrar que a

hidráulica digital apresenta várias potencialidades,

todavia ainda existem inúmeros desafios. Apesar de

diversos trabalhos teóricos e experimentais, até o

presente momento existem poucas aplicações fora da

fase de protótipos.

O tamanho e o preço dos componentes podem

ser citados como um dos desafios que devem ser su-

perados para uma ampla aplicação da hidráulica digi-

tal (Linjama, 2011). Todavia, pesquisas como as

apresentadas em Paloniitty et al. (2014) e Lantela et

al. (2014), indicam a possibilidade de obtenção de

válvulas com tamanhos reduzidos e com custo mais

acessível quando implementada sua produção em

massa (Scheidl et al., 2012). Outros desafios associa-

dos à hidráulica digital são ruído, picos de pressão e

controle não convencional (Achten et al., 2013).

De forma geral, existem dois centros de pesquisa

que iniciaram a nova geração de estudos na área de

hidráulica digital, sendo um deles é em Linz, na Áus-

tria e outro em Tampere na Finlândia. Não menos

importante, há várias universidades que estão em

processos avançados de pesquisa, como Bath na In-

glaterra, Linköping na Suécia, Minnesota nos Estados

Unidos e Aachen na Alemanha.

Neste sentido, uma das ideias do presente traba-

lho é fortalecer no Brasil o desenvolvimento de sis-

temas que usem os princípios da hidráulica digital.

Nacionalmente, o Laship4 da Universidade Federal

de Santa Catarina está iniciando pesquisas na área,

atuando em conjunto com o Center for Fluid Power

and Motion Control (PTMC, Bath) (De Negri et al.,

2014) e o Division of Fluid and Mechatronic Systems

(FLUMES, Linköping) (Teixeira, 2012, Locateli et

al., 2014a, Locateli et al., 2014b).

Agradecimentos

Os autores são gratos ao CNPq (Conselho Nacional

de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo

suporte financeiro.

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