Estudo teórico-experimental para auxílio no dimensionamento de sistemas de atuação pneumáticos

Abstract

Com a crescente demanda por tecnologias de baixa emissão de carbono, redução no consumo de energia e a conscientização sobre a necessidade de proteção ambiental, o aprimoramento da eficiência energética dos processos de manufatura tem sido amplamente adotado como estratégia para redução no consumo de energia e emissão de poluentes. Os sistemas pneumáticos por sua vez, são amplamente utilizados na produção industrial, pois são muito versáteis, ágeis, possuem baixo custo de aquisição e manutenção, e uma grande densidade de potência. Entretanto, são caracterizados pela baixa eficiência energética. Dentro desse contexto, acredita-se que o correto dimensionamento do sistema de atuação pneumático seja uma das maneiras mais simples e eficientes de melhorar o desempenho energético destes sistemas. Dessa forma, o trabalho presente nesta dissertação está focado em ferramentas que auxiliem o projetista a compreender a relação existente entre o diâmetro do atuador pneumático e a condutância sônica da válvula direcional com o comportamento dinâmico do sistema, e assim, permitir o dimensionamento adequado destes parâmetros, proporcionando um sistema com máximo desempenho dinâmico e eficiência operacional. Para auxiliar esse trabalho, foi desenvolvido um modelo matemático em MATLAB/Simulink® capaz de representar detalhadamente o comportamento dinâmico de um sistema de atuação pneumático. Foram realizados testes de sensibilidade para compreender os efeitos que os principais parâmetros de um sistema de atuação pneumático exercem sobre o mesmo e, com o auxílio das equações que relacionam as razões de pressões nas câmaras de um atuador pneumático em regime permanente, foi identificado uma região ótima de operação, a qual representa os pontos operacionais que resultarão em um máximo desempenho dinâmico e eficiência operacional. Foram desenvolvidas e validadas experimentalmente expressões analíticas que auxiliam o projetista na identificação desta região ótima de operação, demonstrando a aplicabilidade das equações propostas durante o projeto e dimensionamento de um sistema de atuação pneumático.

Abstract : With the growing demand for low-carbon technologies, energy consumption reduction and environmental protection awareness, improvement of manufacturing processes energy efficiency has been widely adopted as a strategy for reduction of energy consumption and pollutants emission. Pneumatic systems, on its turn, are widely used in industrial production as they are very versatile, agile, have low initial and maintenance costs, and high power density. However, they are characterized by its low energy efficiency. Within this context, it is believed that the correct design of the pneumatic actuation system is one of the best and more efficient ways for improving the energy performance of these systems. Thus, the work presented in this dissertation is focused on tools that help the designer to understand the relationship between the diameter of the pneumatic actuator and sonic conductance of the directional valve with the dynamic behavior of the system, thereby enabling the correct sizing of these parameters, providing a system with maximum dynamic and operational performance. To support this work, a mathematical model was developed in MATLAB / Simulink® capable to represent the detailed dynamic behavior of a pneumatic actuation system. Sensitivity tests were held to understand the effects that the main parameters of a pneumatic actuation system exert on itself, and, with help of equations that relate the pressure ratios in the chambers of a pneumatic actuator in steady state, it was identified an optimal operation area, which represents the operational points that will result in the maximum dynamic and operational efficiency. Analytical equations were developed and validated experimentally, these equations may help the designer to identify this optimal operation area, demonstrating the applicability of the proposed equations during the design and dimensioning of a pneumatic actuation system.