Como Selecionar o Valor do Coeficiente de Aceleração de Impacto no Projeto de Mecanismos Hidráulicos de Impacto

Nos mecanismos hidráulicos de impacto, o comportamento do acumulador e as condições de carregamento e descarregamento têm uma influência direta na eficiência e durabilidade do sistema. Compreender os tempos de carga e descarga do acumulador, juntamente com o valor característico $\beta^*$, é fundamental para otimizar o desempenho do mecanismo e prolongar sua vida útil.

O acumulador em um ciclo de impacto sofre dois processos de carga e descarga, o que significa que seu diafragma vibra duas vezes por ciclo de impacto. Entretanto, como demonstrado na análise anterior, se o projeto atender à condição descrita pela equação (2.67), o diafragma do acumulador vibra apenas uma vez por ciclo de impacto, completando uma única carga e descarga. Isso é extremamente benéfico para aumentar a durabilidade do diafragma do acumulador, pois limita o número de ciclos de vibração, o que reduz o desgaste e aumenta a vida útil do componente.

Quando se analisa os volumes de carga e descarga do acumulador, a equação (3.20) descreve a relação entre o valor do coeficiente de aceleração $\beta$ e os volumes de carga ($V_i$) e descarga ($V_o$) do acumulador. Os gráficos a seguir mostram como essas variáveis se comportam para tipos de controle traseiro e de controle duplo. Nesses gráficos, é possível observar que a região de sobreposição das curvas, que ocorre quando o valor de $\beta$ é inferior a 1/3, representa a zona de operação onde o acumulador realiza uma única carga e descarga por ciclo de impacto.

Além disso, o valor $\beta^{**}$, que corresponde ao valor de aceleração de impacto no ponto de interseção das curvas de carga e descarga, é outro parâmetro importante. Este valor está intimamente relacionado aos coeficientes de resistência do sistema, $k_0$ e $k_y$, e reflete como a resistência ao fluxo de óleo impacta no design do acumulador. A análise computacional mostra que $k_y$ tem um efeito mais pronunciado sobre $\beta^{**}$, especialmente em sistemas com controle traseiro. À medida que os coeficientes de resistência aumentam, o valor de $\beta^{**}$ também tende a aumentar, resultando em um maior deslocamento do acumulador.

Além disso, ao projetar sistemas hidráulicos de impacto, é importante lembrar que a otimização do desempenho não se resume apenas a minimizar a vibração ou o deslocamento. Fatores como a resistência do fluido, as condições de temperatura e a manutenção preventiva também desempenham papéis cruciais no aumento da eficiência e na redução do desgaste. O entendimento de como cada parâmetro afeta o funcionamento geral do sistema é vital para alcançar o equilíbrio desejado entre desempenho e durabilidade.

Como calcular a diferença de pressão entre câmaras em sistemas hidráulicos com válvula de impacto?

O cálculo da diferença de pressão dentro da faixa de abertura positiva em sistemas hidráulicos com válvula de impacto baseia-se nas equações de vazão para orifícios de paredes finas. O ponto de partida é a equação √Q = 2cf√(Δp/ρ), onde Q é a vazão, c o coeficiente de vazão (assumido como 0,7 para válvulas com bordas arredondadas), f a área de fluxo do orifício, ρ a densidade do fluido e Δp a diferença de pressão. Manipulando a equação, chega-se à forma Δp = (ρ Q²) / (2 c² f²), o que permite definir relações diretas entre a abertura da válvula e o diferencial de pressão.

Assumindo uma abertura f = πd⁴z, com z representando o tamanho da abertura e d o diâmetro da seção, e considerando Q = A₁uₚ, onde A₁ é a área da seção do pistão e uₚ a velocidade do pistão, a equação se transforma em Δp = C₁A₁²uₚ² / z², onde C₁ = ρ / (2c²π²d⁸). O fluxo pode ser também expresso como Q = C₇z√Δp, com C₇ = √(1 / C₈), revelando uma dependência direta entre o deslocamento da válvula e a resposta hidráulica do sistema.

O curso da válvula é definido como Sv, sendo z₀ a abertura positiva mínima. Segmentos críticos do deslocamento da válvula são identificados como S1v = (Sv − z₀)/2, S2v = S1v + z₀ e S3v = Sv/2. A análise da influência da válvula na pressão da câmara traseira exige diferenciação dos estados de movimento da válvula — se ela está na faixa fora da abertura positiva ou dentro dela.

Quando a válvula se move fora da faixa de abertura positiva, as fórmulas para o diferencial de pressão dependem da posição relativa do carretel. Durante a reversão do curso de retorno, para 0 ≤ yv ≤ S1v, a abertura z₁ = S2v − yv e o diferencial é dado por Δpv = A₁uₚ² / C₈(S2v − yv)². Já para S2v ≤ yv ≤ Sv, o escoamento é revertido e z₂ = yv − S1v, resultando em Δpv = A₁uₚ² / C₈(yv − S1v)². Na reversão do curso de impacto, para 0 ≤ yv ≤ S1v, o sentido do fluxo muda novamente, com z₂ = S1v − yv, mas a equação de Δpv permanece formalmente idêntica, com a direção do fluxo representada pela função de sinal sgn(uₚ).

Caso p₁ > p, a equação pode ser resolvida analiticamente, levando a:

p₁ = [√((p − pₗ)² + 4ab(p + pₗ)) − (p − pₗ)]² / (4b),
onde a = (z₁² + z₂²) / (2z₁z₂), b = (p + pₗ)/2 + C₈A₁²uₚ² / (2z₁z₂).

Se p₁ < p, a equação se transforma e os parâmetros mudam:

p₁ = [√((p − pₗ)² + 4cd(p + pₗ)) − (p − pₗ)]² / (4d),
com c = (z₁² − z₂²)/(2z₁z₂), d = (p + pₗ)/2 − C₈A₁²uₚ² / (2z₁z₂).

É importante destacar que, durante o curso de impacto, especialmente na fase final, a velocidade do pistão é alta (logo Q₁ = A₁uₚ é grande), enquanto a abertura z₀ é limitada, provocando forte estrangulamento do fluxo. Se a válvula ainda não atingiu o intervalo z₀, a passagem via z₂ não é suficiente para atender à demanda de vazão. Nessa condição, p₁ pode se tornar zero ou até negativo, invalidando o cálculo prático da equação dentro do intervalo z₀. Por isso, a análise matemática nesse caso é relevante apenas para estudos de regime, mas não necessariamente útil para controle dinâmico.

Além disso, no modelo não linear completo dos mecanismos hidráulicos de impacto