Válvulas hidráulicas de controle de pressão, controle de vazão e direcionais

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Válvulas hidráulicas de controle de

pressão, controle de vazão e direcionais

Aula 3

Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva Prof. Dr. Rafael Traldi Moura

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Introdução

A limitação e/ou controle de energia em sistemas

hidráulicos

é

executada

atuando-se

na

potência

hidráulica ,através de dispositivos físicos que alteram

valores de pressão e/ou vazão, podendo ser resistivo ou

conservativo. Podemos ter controle de pressão, vazão

ou direcional.

(3)

Introdução

Válvulas Hidráulicas

Aula 3 2

Controle conservativo

• Associado a pequena dissipação de energia, através do uso de bombas e

motores de deslocamento variável;

• Nas bombas de deslocamento variável atua direta e exclusivamente na

vazão emitida;

• Possui maior custo inicial, resposta ao controle mais lenta (grandeza de

massa movimentada). Adequado a sistemas de potência elevada e partidas econômicas.

s de sistema b de bomba

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Introdução

Controle resistivo

• Associado a dissipação de energia, utilizando componentes dissipativos (válvulas), transformando o excedente em energia térmica.

• Geralmente a dissipação é realizada por intermédio de restrições, que nada mais são que oríficios de área fixa ou variável;

• Potencial energético superior ao requirido pela aplicação, com utilização de acumuladores para otimização energética. Possui tempo de resposta rápido;

Por exemplo, controlar a pressão evita

sobrecargas, limitando forças e torques. Pode ser feito por:

– Válvulas limitadoras de pressão são normalmente fechadas, abrindo se a pressão na entrada supera um valor regulado, vencendo uma força de mola. – Válvulas redutoras de pressão são normalmente

abertas e a pressão ajustada por mola é a pressão de saída (sempre inferior a pressão de entrada);

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Introdução

Aula 3 2

Os oríficos va´riáveis são constituídos por um orifício e um obturador. Podem ser divididos em elementos deslizantes ou elemetos de assento.

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Controle de pressão

• O limite ou controle da pressão é importante para evitar

sobrecargas, limitando e controlando forças e torques;

• Pode ser feito por meio de bombas de deslocamento

variável ou por válvulas;

• Por válvulas, pode ser realizado por válvulas limitadoras

de pressão ou válvulas redutoras de pressão:

– Válvulas limitadoras de pressão: normalmente fechadas, abrindo se a pressão na entrada supera um valor regulado, vencendo uma força de mola.

– Válvulas redutoras de pressão: normalmente abertas e a pressão ajustada por mola é a pressão de saída (sempre inferior a pressão de entrada);

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Válvulas limitadoras de pressão

Aula 3 2

Podem ser:

• Válvula de segurança ou de alívio: permanece

sempre fechada e somente abre se houver risco de

danos ao sistema e ao meio exterior. Neste caso é

colocada em paralelo com uma bomba;

• Válvula de descarga, válvula de contrapressão e

válvula de sequência: usadas para controlar o

sistema, abrindo e fechando continuamente num

ciclo operacional do sistema hidráulico.

• Simples estágio (operação direta) ou duplo estágio

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Válvulas limitadoras de pressão

Se quisermos uma vazão no cilindro inferior à da bomba, temos: 𝑄_𝑐 < 𝑄_𝑏 ⇒ 𝑄_𝑐 = 𝑄_𝑏 − 𝑄_𝑑

Esse controle de vazão é possível devido a perda de carga em CV, ∆𝑝 = 𝑝_𝑠 − 𝑝₁, faz 𝑝_𝑠 subir e ficar acima de 𝑝_𝑟 abrindo a válvula de alívio.

Ao atingir o fim de curso, 𝑄_𝑑 = 𝑄_𝑏.

Exemplo: Deslocar uma massa M, com controle de vazão CV somente no avanço. Vazão da bomba 𝑄_𝑏 é constante e independente da pressão.

Regime permanente 𝑄 = 𝑐_𝑑𝐴₀ 2Δ𝑝

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Limitadora de pressão de simples estágio

Aula 3 2

• Existem

diferentes

concepções

com

o

mesmo

principio

operacional,

mudando

tempo de resposta, suavidade e precisão.

• Obturador é mantido em sua sede por

força de mola, regulada por parafuso;

• A válvula abre quando

a

pressão

vence

a

força de mola, ou seja,

𝑝

_𝑠

>

𝐹

_𝑚

Τ

𝐴 , 𝐹

_𝑚

= 𝑘𝑥

₀.

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Limitadora de pressão de simples estágio

• Nesta válvula, a pressão atua sobre a área do assento do obturador cônico;

• É usada como alívio/segurança;

• Boa resposta dinâmica e isenção de vazamentos internos;

• Encontradas para até 300 bar com vazões máximas de 250lpm.

• Inviável para altas vazões e pressões pois altas forças no assento implicaria em mola muito rígida, que gera instabilidade;

• Usada sempre com descarga

diretamente no reservatório, evitando “contrapressões” auxiliando a força de mola, alterando força controlada;

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Limitadora de pressão de simples estágio

Aula 3 2

• O pequeno diâmetro do pistão auxiliar

permite trabalhar em com forças menores, ou seja, sem molas de rigidez alta;

• Rebaixo no pistão cria grande variação de

area com deslocamento pequeno, ou seja, força da mola não varia muito;

• É flexivel, pois seu piloto pode ser externo,

inclusive com pressoes diferentes da pressão de entrada;

• Pode ocorrer vazamento interno para a

câmara da mola, que deve ser drenado para evitar forças contrárias ao deslocamento;

• Possui uma válvula de retenção, podendo

ser utilizada para sustentação de carga, sendo chamada assim também de válvula de contrapressão ou contrabalnceamento.

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Limitadora de pressão de duplo estágio

• Em vazões superiores a 300 lpm, forças do escoamento aumentam muito. • Conveninente ganho de

área do orifício elevado

para pequenos

deslocamentos do

obturador;

• Mais estável em baixas

vazões;

• ∆𝑝 = 𝑝_𝑠 − 𝑝_𝑖 , com ∆𝑝

gerando a força de mola.

Regime permanente 𝑄 = 𝑐_𝑑𝐴₀ 2Δ𝑝

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Limitadora de pressão de duplo estágio

Aula 3 2

• Estágio piloto é uma válvula limitadora de pressão simples, sendo responsável pela abertura do estágio

principal. Opera com

vazões de 1 a 3 lpm.

• Quando a pressão supera a força de mola da valvula piloto, há um pequeno escoamento pelo restrição.

• A perda de carga na

restrição é suficiente para vencer a mola, movendo o pistão para abrir o segundo estágio;

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Limitadora de pressão - estático

• Força do escoamento é função da vazão, ou seja, a válvula de controle de pressão não consegue manter a pressão constante para qualquer nível de vazão.

• Força de mola varia em função do curso do

obturador. Molas de menor rigidez diminuem variação de 𝑝_𝑟. Para uma determinada pressão, area menor implica em força menor. Reduzir

área de pilotagem!

• A formas do obturador e

acessos ajudam a reduzir os efeitos do escoamento.

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Limitadora de pressão - dinâmico

Aula 3 2

• Depende do comportamento do sistema;

• Com a VD aberta, 𝑄_𝑏 = 𝑄_𝑐, com , 𝑄_𝑑 = 0 e 𝑝_𝑠 = 0. Ao fechar bruscamente VD, em t = 𝑡₀, sistema oscila até que 𝑝_𝑟𝑝

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Válvulas redutora de pressão

• Redução da pressão ocorre como consequência da perda de carga no orifício de controle, que é controlada pela realimentação da

pressão e saída da válvula;

• Podem ser de simples estágio ou de duplo estágio.

• Pressão na saída atua sobre área A, exercendo força contra a mola. Se a pressão na saída aumenta, o obturador desloca-se para a

direita, reduzino o orificio de controle, aumentando a perda de carga, inibindo a tendencia de aumento.

Simples

estágio

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Válvulas redutora de pressão

Aula 3 2

• Para pressões e vazões elevadas, são usadas válvulas de dois estágios.

• Obrigatoriamente possui dreno externo;

• Tomada de pressão piloto é ligada na saída do estágio principal.

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Operação de abertura em baixa pressão

• Avanço rápido sem carregamento entre A e B e lento com trabalho efetivo entre B e C;

• Avanço rápido, VD1 paralela, pressão baixa, VA1 e VA2 fechadas.

• Haste em B, ativa S3, VD2

libera passagem, pressão fica próxima 𝑝_𝑎𝑡𝑚. Válvula retenção VR1 fecha.

• Então o escoamento abre a válvula VA1.

• Evita impacto sobre ferramenta ou prensa.

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Operação de abertura em baixa pressão

Válvulas Hidráulicas Aula 3 2 Operação de descarregamento de bomba em sistema de bombas em paralelo (dual)

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(21)

Operações sequencial e de contrabalanceamentode abertura

em baixa pressão

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Válvulas de controle de vazão

Regime

permanente

𝑄 = 𝑐

_𝑑

𝐴

₀

2Δ𝑝

𝜌

• Controle de vazão resistivo:

controla resistencia de

escoamento (perda de carga)

através de orifícios de secção

fixa ou variável;

• Em regime constante, a vazão

varia de acordo com a área do

orifício e com a variação da

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Válvulas redutoras de vazão

Aula 3 2

• A redução da vazão é proveniente da abertura da válvula de alívio. Esta

abertura pode ser regulada pela perda de carga na válvula de controle de vazão;

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Válvulas redutoras de vazão

• Em regime permanente, a pressão 𝑝_𝑠 deve permanecer estável. Desta

forma, a vazão na válvula será constante apenas se a pressão a juzante também o for. Se o carregamento do cilindro mudar, muda a vazão.

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Válvulas redutoras de vazão

Aula 3 2

• As vávulas abaixo não podem ser classificadas como de controle de vazão, pois se a variação da

pressão na entrada e saída implicam na mudança de vazão;

• Estas são chamadas válvulas redutoras de vazão;

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Válvulas de controle de vazão

• Válvula de controle de vazão terá então uma válvula

compensadora de pressão, chamada balança de pressão, para manter a queda de pressão constante no orifício;

• Balança de pressão pode estar em série (antes ou depois) ou em paralelo com a válvula redutora de vazão;

• Controle unidirecional implica em uma válvula de retenção para escoamento inverso livre;

Δ𝑝

= 𝑝

_𝑖

− 𝑝

_𝑐

= 𝑐𝑡𝑒

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Válvulas de controle de vazão

Aula 3 3

1. R1 fechada, sem escoamento, implica em 𝑝_𝑐 = 𝑝_𝑖 = 𝑝_𝑠 = 𝑝_𝑟 e compensador totalmente aberto com 𝐴_𝑟;

2. A medida que abre-se R1, aumenta vazão e 𝑝_𝑖 vai se diferenciando de 𝑝_𝑐. Enquanto 𝑝_𝑖 − 𝑝_𝑐 é menor que 𝑝₀, força da mola, não se controla a vazão;

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Válvulas de controle de vazão

3. Quando Δ𝑝 = 𝑝_𝑖 − 𝑝_𝑐 = 𝑝₀, o compensador entra em equilíbrio instável;

• ↓ 𝑝_𝑐 ⇒ ↓ 𝑥 ⇒↓ 𝐴_𝑟 ⇒ ↓ 𝑝_𝑖 até 𝑝_𝑖 − 𝑝_𝑐 = 𝑝₀.

• Em geral, 𝑝_𝑖 − 𝑝_𝑐 varia entre 2 e 7 bar;

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Válvulas de Controle de Vazão

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Válvulas de Controle de Vazão

Curvas Q x Δp_t para diversas aberturas da válvula de controle de

(31)

Válvulas de Controle de Vazão

Válvula de Controle de Vazão de Duas Vias. Compensação de pressão em série a montante

Válvulas Hidráulicas Aula 3 7 𝑄 = 𝑐_𝑑𝐴_𝑟 2Δ𝑝𝑟 𝜌 ⟹ 𝐴_𝑟 = 𝐺_𝑟𝑥 𝑥₁ = 𝑥_𝑚𝑎𝑥 − 𝑥 − + + 𝐺_𝑟 = Ganho de área

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Válvulas de Controle de Vazão

• Se 𝐺_𝑟 é muito alto, variação elevada na queda de pressão Δ𝑝 produz pequena variação em 𝑥;

• Ou, a pressão é sensível a pequenas variações do deslocamento. Como o deslocamento vem de desiquilíbrios, temos uma alta

resposta em frequência no sentido do equilíbrio (massa relativamente grande tem pouco deslocamento.)

• Se 𝐾 é baixo e 𝐴_𝑝 adequado:

−

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Válvulas de controle de vazão

Aula 3 3

• Boa resposta em regime permanente;

• Se submetidas a variação brusca de pressão, são incapazes de controlar a vazão;

• Situações possíveis:

– Alteração da pressão em torno do regime permanente, como no caso de um aumento brusco de carga durante o avanço de um cilindro;

– Início de operação, ou salto de partída, quando ocorre acionamento de uma válvula direcional ligada em série com a válvula de controle de vazão;

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Válvulas de controle de vazão

• Alteração da pressão em torno do regime

permanente, como no caso de um aumento brusco

de carga durante o avanço de um cilindro;

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Válvulas de controle de vazão

Aula 3 3

• Início de operação, ou salto de partída, quando ocorre

acionamento de uma válvula direcional ligada em série

com a válvula de controle de vazão;

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Válvulas de controle de vazão de 3 vias

Aula 3 3

• Compensador de pressão em paralelo, desviando excedente e vazão;

1. Se 𝑄_𝑐2 está bloqueada, 𝑝_𝑐 = 𝑝_𝑠 = 𝑝_𝑚𝑎𝑥

e compensador totalmente fechado

com 𝑄_𝑐2 = 𝑄_𝑐1 = 𝑄_𝑅 = 0. Não subsitui

válvula de alívio;

2. A medida que a vazão 𝑄_𝑐2 aumenta, 𝑝_𝑠 vai se diferenciando de 𝑝_𝑐. Enquanto 𝑝_𝑠 − 𝑝_𝑐 é menor que 𝑝₀, força da mola, não se controla a vazão;

3. Quando Δ𝑝 = 𝑝_𝑠 − 𝑝_𝑐 = 𝑝₀, o

compensador entra em equilíbrio instável e temos 𝑄_𝑐2 = 𝑄_𝑐1 − 𝑄_𝑅;

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Válvulas difusora de vazão

• Divisão de vazão constante para quaisquer pressões nas linhas e pressão na entrada cte; • Δ𝑝 constante para R1 e R2, dividindo fluxo pelas Áreas;

• Por causa da

inércia e atritos, a velocidade de

variação de 𝑝₁ e 𝑝₂ não devem ser

elevadas; Exemplo:

• ↓ 𝑝₂ ⇒ ቊ ↑ 𝑝𝑠 − 𝑝2 ⇒ ↑ 𝑄2 ↓ 𝑝_𝑖1 ⇒ ↓ 𝐴_𝑅𝑉2 ⇒↓ 𝑄₂

(39)

39

Controle de Vazão

Métodos de Controle de vazão com uso de Válvulas de Controle de Vazão. Direção das forças considerada para o avanço do cilindro.

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Controle de Vazão

Controle de vazão na entrada.

• Controle independente de vazão no avanço e retorno;

• Apenas carregamento resistivo;

• Para qualquer pressão de carga (saída de CV), a

pressão da entrada, e consequentemente da

bomba, é máxima (limitada pela válvula de alívio), ou seja, potencia de

acionamento sempre máxima;

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41

Controle de Vazão

Controle de vazão na saída.

Aula 3

• Controle independente de vazão no avanço e retorno;

• Permite carregamentos tanto no sentido do pistão quanto no outro;

• Para qualquer pressão de carga (saída de CV), a

pressão da entrada, e consequentemente da

bomba, é máxima (limitada pela válvula de alívio), ou seja, potencia de

acionamento sempre máxima;

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Controle de Vazão

Controle de vazão por sangria. _•

Controle independente de vazão no avanço e retorno;

• Apenas carregamento resistivo (deve haver no mínimo Δ𝑝₀);

• Perda de cargas apenas na VD e canalizações implica no estado fechado da VA e

consequente baixa pressão, ou seja, a pressão na saída da bomba é dependente da carga e a bomba não opera na potência máxima o tempo todo;

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Válvulas de Retenção

Válvula de Retenção Simples

Aula 3 43

• Permite escoamento em apenas um sentido;

• Usos:

– Amortecimento do fim de curso de cilindro;

– Descarregamento de bomba de baixa pressão em sistema dual; – Etc;

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Válvulas de Retenção

Válvula de Retenção Pilotada

• Permite bloquear o escoamento sem vazamentos em apenas uma fase do ciclo de operação;

• Exemplo: manter uma carga em posição invariável ao se utilizar um VD de carretel;

• 𝑅_𝑎 é a Relação de aberturas ou Relação de válvulas, vai de 2,6 a 3,5;

• 𝐶 = 𝐹𝑚

𝐴_𝑝 varia entre 0,6 e 5 bar;

• Pressão de pilotagem entre 30 e 40% da pressão de bloqueio 𝑝_𝑏;

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45 Sistema de Prensa com

Válvula de Sucção

Aula 3

1. Cilindros 1 e 2 servem para aproximar a mesa e também para auxiliar o

pistão 3 na prensagem;

2. Ao acionar S1, pilota-se RP1, com o escoamento para as bases dos pistões 1 e 2. Carga baixa nesta fase não abre VS, com cilindro 3 puxando fluido do reservatório;

3. Ao começar a prensagem, abre-se a VS e a velocidade se reduz, pois o fluido preenche os 3 cilindros;

4. Com a válvula comutada para a

posição cruzada, VS abre e o cilindro 3 faz resistência até aumentar a pressão dos cilindros 1 e 3, pilotando RP2;

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Válvulas de Retenção

Elevador com posicionamento obtido por retenção pilotada

• Manter a mesa fixa por longo período de tempo, enquanto suporta uma carga;

• Retorno sem flutuações, com velocidade controlada;

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Válvulas de Retenção

Válvula de retenção pilotada com descompressão

Aula 3 47

• Usado, por exemplo, em prensas de grande porte;

• Possui sistema de

descompressão gradual para efeitos de ondas de choque (golpe de aríete);

• Primeiro estágio:

abertura do cone com embolo ranhurado e alta perda de carga, criando conexão altamente

restritiva entre A e B, reduzindo 𝑝_𝑏 para 𝑝_𝑏´ . 𝐶 = 𝐹𝑚

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Válvulas de Retenção

Sistema de Prensa com Retenções Pilotadas

• RP1 é utilizado para sustentar o conjunto pistão/haste/ferramenta;

• RP2 é usado para manter o sistema carregado mesmo com a válvula

direcional desacionada, durante a prensagem;

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49

Válvulas de Retenção

Aula 3

• Calcular 𝑝₁ e 𝑝₂ utilizando-se as equações do

sistema e das válvulas em dois cenários:

– RP1 e RP2 são válvulas de retenção pilotada;

– RP1 e RP2 são vávulas de retenção pilotada mas RP2 possui sistema de descompressão;

• Cilindro 𝐴₁ = 314,16 𝑐𝑚2, 𝐴₂ = 250,50 𝑐𝑚2, 𝐴₂/𝐴₁ = 0,797, 𝐺 = 5𝑘𝑁 • Força prensagem: 𝐹_𝑈 = 500𝑘𝑁 • RP1: 𝐴₀ = 3,14 𝑐𝑚2, 𝐴_𝑝 = 9,62 𝑐𝑚2, 𝐶 = 5 𝑏𝑎𝑟 • RP2: mesmos 𝐴₀, 𝐴_𝑝 e 𝐶 de RP1 e assento do obturador de descompressão 𝐴_𝑑 = 0,78𝑐𝑚2 𝐶 = 𝐹𝑚 𝐴_𝑝

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Válvulas de Retenção

Sistema de Prensa com Retenções Pilotadas

𝑝_𝐵2 = 𝑝₁ = 173 bar 𝑝_𝐵1 = 𝑝₂ = 14 bar

(51)

51

Válvulas direcionais de Assento

Válvula de Assento 3/3, centrada por mola

Aula 3

Válvula de Assento 3/2 NA

• Canal L compensa altas pressões

para possibilitar mover alavanca;

• Todas as vias conectadas durante

transição – transição aberta;

• Transição com todos os canais fechados, aumentando chance de choque hidráulico – transição fechada;

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Válvulas direcionais de Carretel Deslizante

Válvula direcional de Carretel Deslizante 4/2,

com acionamento por alavanca e retorno por mola

Posição de transição da válvula 4/2

• Potencial melhor que de assento, pela maior

facilidade construtiva; Ex: varias válvulas com a

mesma alavanca;

• Possuem baixa perda de

carga com vazões elevadas, mas não possuem vedação total contra vazamentos

(53)

Válvulas direcionais de Carretel Deslizante

Válvula direcional 4/2, com transição aberta

Válvula direcional 4/2 com três posições de transição

Válvulas Hidráulicas Aula 3 53 • Intercomunicação de todas as vias na posição central; • Minimiza golpe de aríete, mas diminui rigidez nos cilindros;

(54)

Válvulas direcionais de Carretel Deslizante

Configuração Geométrica da transição em válvula direcionais

• Na transição fechada:

– as vias de uma posição são bloqueadas antes da abertura de vias de outra posição (A-T se fecha antes de abrir A-P);

– Se a duração da transição for menor que o tempo de resposta do sistema (VA), o pico de pressão pode ser prejudicial;

– Choques hidráulicos;

• Na transição aberta:

– Aumento gradual da restrição ao escoamento minimiza golpe de aríete

– Todas as vias abertas pode incorrer perdas de carga, ao diminuir pressão e consequente rigidez nos cilindros;

• Na transição crítica, temos os mesmos

problemas da fechada, mas é usada para inversões rápidas e precisas de motores

(55)

55

Válvulas direcionais de Carretel Deslizante

Válvula direcional 4/2 com transição restritiva e fechada

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Válvulas direcionais de Carretel Deslizante

Tipos de centro em válvulas direcionais 4/3

• Centro aberto: usada para

mandar vazão da bomba ao reservatório, minimizando ocorrência de choque hidráulico; • Centro fechado: impossibilidade de movimentação mecânica, mas pode ocorrer choque hidráulico;

• Centro aberto com

restrição: meio termo das anteriores, pois evita

relaxação completa

mecânica mas minimiza choques hidráulicos;

(57)

57

Válvulas direcionais de Carretel Deslizante

Tipos de centro em válvulas direcionais 4/3 Válvulas Hidráulicas

Aula 3

• Centro tandem: mantem

baixa pressão na saída da bomba enquanto promove rigidez mecânica;

• Pórtico P fechado:

interligação das vias A e B ao reservatório. Usada quando manutenção de

baixa pressão é necessária;

• Pórtico T fechado :

interligação P-A-B aberta constitui sistema

regenerativo. Permite

realizar avanço rápido em uma fase (posição central) e lento em outra;

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Válvulas direcionais de Carretel Deslizante

Válvula direcional 4/3 com acionamento por dois solenóides de corrente contínua e centragem por mola

(59)

59

Válvulas direcionais pilotadas

Válvula direcional 4/3, centro fechado, duplo estágio

(60)

Válvulas direcionais pilotadas

(61)

61

Controle Proporcional e Servocontrole

Aula 3

(62)

Controle Proporcional e Servocontrole

Ganho de vazão para

diferentes tipos de centro Configuração geométrica do centro crítico

(63)

63

Controle Proporcional e Servocontrole

Aula 3

Servoválvula eletro-hidráulica de dois estágios com realimentação mecânica de posição

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Controle Proporcional e Servocontrole

(65)

65

Tipos de Solenoides

Aula 3

a) Solenóide de Força Controlada b) Solenóide de Curso Controlado

(66)

Válvulas direcionais proporcionais

(67)

67

Válvulas direcionais proporcionais

Aula 3

Válvula proporcional de dois estágios. Estágio-piloto com válvulas limitadoras de pressão proporcionais

(68)

Válvulas direcionais proporcionais

Válvula limitadora de pressão proporcional de dois estágios

Válvula de alívio proporcional de operação

(69)

69

Válvulas cartucho

Aula 3

Elementos de uma Válvula Cartucho

Alguns tipos de Válvula Cartucho

(70)

Mais Tipos de válvulas

Válvula limitadora de pressão de dois estágios

Uso Combinado de retenção e abertura em baixa pressão

(71)

71

Mais Tipos de válvulas

Aula 3

Válvula de alívio de dois estágios com sistema de abertura em baixa pressão

Sistemas de válvulas Cartucho simulando

uma válvula 4/3 de centro fechado