Candidato: Dimitri Oliveira e Silva
Programa: UFSC / POSMEC
Data: Março de 2023
Orientador: Victor Juliano De Negri (UFSC)
Coorientador: Gierri Waltrich (UFSC)
Resumo: O desenvolvimento de equipamentos, produtos e sistemas mais eficientes é um dos principais focos de pesquisa na atualidade. Em muitos casos, o estudo para obter sistemas mais eficientes está relacionado à redução do consumo de combustível e à redução da emissão de poluentes, como ocorre nos meios de transporte utilizados atualmente, sejam eles terrestres, aquáticos ou aéreos. A hidráulica é uma tecnologia extensivamente utilizada em setores industriais, de máquinas pesadas e sistemas de atuação para controle de superfícies de aeronaves. Esta tecnologia destacase pela sua elevada densidade de potência, robustez, confiabilidade e dinâmica. Porém, é também conhecida por sua baixa eficiência energética devido, principalmente, ao uso de controle dissipativo e por vazamentos internos de componentes. Uma das formas de melhorar a eficiência energética de um sistema é através da redução do desperdício de energia. Nessa vertente, a hidráulica digital vem sendo estudada ao longo dos últimos anos no intuito de reduzir a utilização do controle dissipativo, amplamente utilizado em sistemas hidráulicos controlados por servo válvulas ou válvulas proporcionais. Esta tese de doutorado propõe uma nova topologia de atuador hidráulico digital denominado de Variable Speed Digital ElectroHydraulic Actuator – VSDEHA, com ênfase na aplicação para superfícies de controle de aeronaves e foi realizada em colaboração com a Universidade de Linköping e a Saab AB. A solução proposta utiliza uma bomba hidráulica digital acoplada a um motor elétrico de velocidade variável para suprir um cilindro simétrico, de acordo com a demanda de vazão. Através do emprego do conceito de hidráulica digital, o controle de posição do cilindro é realizado utilizando válvulas on/off de assento, no intuito de reduzir a dissipação de energia do sistema e evitar o vazamento interno. Um método para o projeto de uma bomba hidráulica digital de velocidade variável é proposto. A aplicação do método gera informações úteis para a seleção de motores elétricos, como torque e velocidade, além da combinação de bombas sugerida para atender cada ponto de operação do atuador. A utilização da rotação variável possibilitou um controle suave e contínuo do cilindro, apresentando boa resposta ao controle de posição. Uma das vantagens dessa topologia é o reduzido número de válvulas, em relação a outras topologias de atuadores hidráulicos digitais. A implementação do sistema hidráulico foi feita utilizando os softwares MatLab/Simulink® e Hopsan. Um modelo de motor elétrico foi utilizado para avaliar o consumo energético da solução. Lógica Fuzzy foi utilizada para criar um identificador de esforços e direção de movimento, utilizado na estratégia de controle do atuador. Experimentos foram realizados em uma bancada construída para prova de conceito. A avaliação energética realizada apresentou uma eficiência de até 58% na conversão da energia hidráulica para saída de energia útil no cilindro. Foram realizadas simulações para comparar o VSDEHA como outros atuadores. Em comparação com um atuador eletrohidrostático (EHA), foi possível atingir o dobro da eficiência na conversão de energia hidráulica. Em comparação com um atuador servo hidráulico (SHA), em uma simulação de voo, o VSDEHA precisou de cerca de 22 vezes menos energia para a execução do mesmo trabalho. Finalmente, foi concluído que o VSDEHA apresenta um grande potencial para o desenvolvimento de atuadores hidráulicos mais eficientes e com boa controlabilidade, podendo ser aplicado também em outras áreas como indústria e máquinas móveis, com a vantagem de utilizar componentes mais baratos, simples e robustos, reduzindo custo de implementação e manutenção.
Referência: OLIVEIRA E SILVA, D. Variable Speed Digital Electro-Hydraulic Actuator for Aircraft Application. 2023, 211 p. Tese (Pós-Graduação em Engenharia de Mecânica) – Universidade Federal de Santa Catarina.
