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Title:
HYDRAULIC UNIT WITH COMBINED PNEUMATIC/SERVOMOTOR ACTION AND RELATED USE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/087140
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention patent relates to a hydraulic unit (U) with a pneumatic cylinder (15) that works in conjunction with a servomotor (M), together with a ball screw (29) to together move a hydraulic piston pump (8) made up of a hydraulic plunger (7) with related sealing elements to prevent oil leaks, noise, metal-on-metal friction and loss of efficiency, that is moved upwards and downwards using a ball screw (29) and a pneumatic cylinder (15) in conjunction with a servomotor (M) that, when moved, pushes the pressurized oil outwards while filling the opposite hydraulic chamber with an oil suction movement, the pumped oil entering a hydraulic pressure accumulator (25), where it remains idle to be used when required and being supplied by the up/down movement of the piston, generating continuous pumping, which is automatically stopped when the hydraulic pressure accumulator (25) is full and has reached the predetermined hydraulic pressure. With regard to the field of application, the invention is intended to be used to move hydraulic actuators in a variety of different machines and equipment.

Inventors:
NEMA ÉRCIO MIGUEL (BR)
Application Number:
PCT/BR2019/000034
Publication Date:
May 07, 2020
Filing Date:
October 23, 2019
Export Citation:
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Assignee:
DRAUSUISSE BRASIL COMERCIO E LOCACAO DE UNIDADES HIDRAULICAS INTELIGENTES S A (BR)
International Classes:
F15B3/00; F04B7/06; F15B1/00; F15B15/00
Foreign References:
US9926947B22018-03-27
US8359856B22013-01-29
BR102016020653A22018-03-20
US6079797A2000-06-27
US6068448A2000-05-30
US4765225A1988-08-23
US5788341A1998-08-04
US5261810A1993-11-16
US6079797A2000-06-27
Attorney, Agent or Firm:
TRENCH, ROSSI E WATANABE ADVOGADOS (BR)
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Claims:
REIVINDICAÇÕES

1) Unidade hidráulica com acionamento combinado por via pneumática e servo motor cacacterizada por compreender: um servo motor (M) ;

um cilindro pneumático (15) compreendendo um êmbolo pneumático (12), uma câmara pneumática inferior (14), uma câmara pneumática superior (18) , uma válvula direcional pneumática (11) e uma haste (23) ;

um fuso de esferas (29) apoiado em rolamentos (2) montados em um mancai (3);

uma bomba hidráulica (8) compreendendo uma camisa hidráulica (6), um êmbolo hidráulico (7), e uma câmara hidráulica superior (31);

um reservatório de óleo (16) ;

uma válvula de retenção superior (24) ;

um sensor superior (4);

um acumulador de pressão hidráulica (25) ; e

um pressostato (30) ;

em que a unidade é acionada pelo servo motor (M) em conjunto com o cilindro pneumático (15) trabalhando em linha no mesmo eixo axial, com o objetivo de somar forças para aumentar a pressão hidráulica gerada.

2) Unidade hidráulica com acionamento combinado por via pneumática e servo motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o fuso de esferas (29) estar acoplado diretamente na haste (23) do cilindro pneumático (15) para juntos, deslocarem o êmbolo hidráulico (7) , situado na camisa hidráulica (6) da bomba hidráulica (8) .

3) Unidade hidráulica com acionamento combinado por via pneumática e servo motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o cilindro pneumático (15) trabalhar submerso no óleo do reservatório de óleo (16) , aproveitando a baixa temperatura gerada pela expansão do ar comprimido no cilindro pneumático (15) , para refrigerar automaticamente o óleo contido no reservatório de óleo (16) .

4) Unidade hidráulica com acionamento combinado por via pneumática e servo motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o sensor superior (4) ser acionado quando o êmbolo pneumático (12) chega ao final de curso de subida, o referido sensor comandando eletronicamente a inversão no sentido de giro do servo motor (M) , ocorrendo assim, a inversão no sentido de giro do fuso de esferas (29) , que passa a girar no sentido anti-horário .

5) Unidade hidráulica com acionamento combinado por via pneumática e servo motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o servo motor (M) monitorar eletronicamente a necessidade de reposição de óleo do acumulador de pressão (25) .

6) Unidade hidráulica com acionamento combinado por via pneumática e servo motor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o êmbolo hidráulico conter elementos de vedação para eliminação de vazamento de óleo e perda de eficiência .

7) Uso da unidade hidráulica conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que é para movimentação de atuadores hidráulicos em máquinas ou equipamentos.

8) Uso, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que até 90% do volume de óleo do reservatório é reduzido.

9) Uso, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por gerar uma economia de até 90% de energia elétrica.

10) Uso, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por dissipar o calor do óleo hidráulico.

Description:
"UNIDADE HIDRÁULICA COM ACIONAMENTO COMBINADO POR VIA PNEUMÁTICA E SERVO MOTOR E SEU USO"

INTRODUÇÃO

[0001] A presente patente de invenção refere-se a uma unidade hidráulica com cilindro pneumático que trabalha em conjunto com um servo motor, que é utilizada para movimentar os atuadores hidráulicos da grande maioria de máquinas e equipamentos que utilizam este tipo de energia, para ampliar a força aplicada durante o bornbeamento de óleo, resultando em uma pressão mais elevada. Portanto, a invenção pode ser aplicada em unidades hidráulicas convencionais, tornando-as mais compactas, silenciosas, bem como solucionando diversos problemas das mesmas.

CAMPO DE APLICAÇÃO

[0002] A presente invenção tem o seu campo de aplicação voltado para movimentação dos atuadores hidráulicos em máquinas e equipamentos diversos.

FUNDAMENTOS DA TÉCNICA

[0003] É de conhecimento de todos que as unidades hidráulicas convencionais potencializam e controlam uma determinada força, que possibilita de forma fácil o controle e movimento dos atuadores hidráulicos e que apresentam funções especificas para as máquinas industriais, como, por exemplo, prensas, bem como geração de energia, mineração e equipamentos siderúrgicos. Estas unidades hidráulicas podem ser equiparadas com trocadores de calor para reduzir a alta temperatura do óleo, em que a elevação da temperatura, por muitas das vezes, é gerada pelo próprio óleo, uma vez que a recirculação do óleo é constante para o tanque, quando os atuadores hidráulicos estão em repouso. Ainda assim, as mesmas apresentam motores elétricos que são acoplados às bombas hidráulicas, que realizam o trabalho de bornbeamento do óleo do reservatório da mesma. Estas bombas hidráulicas geralmente são de grande porte e bombeiam óleo para o sistema em regime contínuo, mesmo quando os atuadores hidráulicos estão em repouso, o que resulta em vibração, ruido e aquecimento do óleo.

PROBLEMAS A SEREM RESOLVIDOS

[0004] Abaixo são listados alguns limitantes das unidades hidráulicas convencionais:

[0005] O alto consumo de energia elétrica nas unidades hidráulicas convencionais, uma vez que os motores elétricos trabalham em regime constante para acionar a bomba hidráulica que envia óleo para o sistema ininterruptamente. Ainda assim, quando os atuadores hidráulicos ficam em repouso, o óleo que vem da bomba hidráulica é desviado de volta para o reservatório por meio de uma válvula, geralmente elétrica ou mecânica, que precisa da força do óleo. Portanto, este ciclo caracteriza-se pelo desperdício de energia elétrica, uma vez que o óleo que está sendo bombeado não é utilizado para realizar trabalho.

[0006] A geração de calor se faz pelo atrito gerado no momento em que o óleo passa pelas válvulas de retorno para o reservatório. Então, o óleo, quando retorna para o reservatório, é novamente bombeado e o próprio movimento de sucção e compressão do óleo no bombeamento também são fonte de geração de calor.

[0007] A geração de ruído é devido ao atrito que é gerado pelo contato de metal com metal nas partes móveis das bombas hidráulicas, sejam estas no modelo de pistões, palhetas ou engrenagem. Ainda assim, este processo gera ruídos elevados que prejudicam a audição do operador, o que obriga o mesmo a utilizar protetores auriculares.

[0008] O desgaste das partes metálicas e liberação de partículas sólidas no sistema, deve-se ao contato de metal com metal, que se atrita o tempo todo; este inconveniente apresenta-se nos modelos de bombas hidráulicas que, por consequência, gera o aumento de folga mecânica que existe entre os componentes móveis, seja na bomba de pistão, palheta ou engrenagem. Estes tipos de bombas têm contato permanente entre as partes metálicas móveis, gerando, assim, o desprendimento de partículas sólidas de metal, que são altamente prejudiciais ao bom funcionamento das válvulas direcionais do sistema. Portanto, na iminência de resolver estes problemas, são adicionados filtros de malhas, que são bem fechados, o que acaba restringindo o fluxo de óleo, aumentando a pressão e diminuindo a vazão, o que aumenta a temperatura do óleo. Ainda assim, na bomba de pistão existe uma folga entre o eixo e o furo, que permite o deslocamento dos pistões. A referida folga em bombas novas apresenta 15% de perda de pressão inicial e vazão hidráulica e, com o passar do tempo, esta folga vai aumentando naturalmente devido ao desgaste. Com isso, ocorre uma perda de eficiência que, por consequência, em determinado momento, a pressão gerada não atende a necessidade de aplicação. O mesmo problema ocorre nas bombas de palhetas e engrenagem.

[0009] A liberação de partículas metálicas sólidas é resultado do atrito das partes móveis, que ocorre em função do atrito constante das partes móveis das bombas, principalmente nas de pistão, palheta e engrenagem. Isto deve-se ao fato da forma construtiva de cada bomba em específico .

[0010] Alta temperatura devido ao atrito das partes mecânicas e recirculação constante do óleo em sistema de ventagem.

ESTADO DA TÉCNICA

[0011] O atual estado da técnica antecipa alguns documentos de patentes que versam sobre a matéria em apreço, como a US005261810A, depositado em 16/09/1992 e publicado em 16/11/1993, intitulado "SISTEMA DE FECHAMENTO E LIMPEZA", que consiste em um fuso de esferas que aciona o movimento axial de avanço e retorno de um êmbolo hidráulico, montado no mesmo eixo axial, que tem a função de succionar e bombear óleo.

[0012] O documento acima citado funciona como uma bomba de pistão, que é composto por um êmbolo com haste passante nas duas faces, sendo que em uma delas está fixada a porca do fuso de esferas, se limitando apenas a bombear o óleo .

[0013] O outro documento, US6079797A, depositado em 12/02/1999 e publicado em 27/06/2000, intitulado "BOMBA DUPLA DE AÇÃO BOLA DE PARAFUSO", que apresenta uma construção mecânica diferente da anterior, mas, da mesma forma, é composto por um fuso de esferas que está montado no mesmo eixo axial, de um só pistão, que se movimenta em função da rotação do fuso de esferas.

[0014] O documento acima descreve um sistema que funciona como uma bomba de pistão, composto pela porca do fuso de esferas, que está fixada em uma das extremidades da haste do pistão e, quando o fuso gira, o que ocorre em ambos os sentidos, o pistão também se movimenta no sentido axial, realizando o trabalho de sucção de óleo e bombeamento, sendo que todo o conjunto se encontra alinhado no mesmo eixo. OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[0015] Os objetivos da invenção, são os seguintes:

Propor uma unidade hidráulica com cilindro pneumático que trabalha em conjunto com um servo motor, capaz de desempenhar um trabalho eficiente de bombeamento de óleo, economizando até 90% do consumo de energia elétrica, em relação ao sistema convencional;

Reduzir expressivamente o ruído no ambiente de trabalho, proporcionando ao usuário um ambiente mais confortável;

Reduzir até 90% do volume de óleo utilizado nos reservatórios hidráulicos, de forma a não comprometer a temperatura do mesmo, que deverá permanecer baixa; Reduzir a temperatura do óleo, mesmo utilizando um volume bem menor, e dispensando a necessidade de trocadores de calor;

Eliminar os vazamentos de óleo que são causados pela alta temperatura do óleo, que resseca as vedações e gera vibração que, somado à uma vedação deficiente, resulta em vazamentos que são constantes nos sistemas convencionais. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0016] A presente invenção tem um funcionamento baseado em um mecanismo que utiliza ar comprimido e um servo motor, juntamente com um fuso de esferas na ponta, para juntos movimentarem uma bomba hidráulica de pistão diferenciada, composta por um êmbolo hidráulico com seus elementos de vedação para eliminar vazamento de óleo e perda de eficiência, que movimenta para cima e para baixo, com o auxilio de um fuso de esferas e um cilindro pneumático acionado por ar comprimido que, ao se deslocar, empurra para fora o óleo sob pressão enquanto enche a câmara hidráulica oposta com um movimento de sucção de óleo, sendo que o óleo bombeado vai para dentro de um acumulador de pressão hidráulica, onde permanece em repouso para ser utilizado quando necessário, e que é abastecido pelo movimento de sobe e desce do pistão, gerando o bombeamento, que é automaticamente parado no momento em que o acumulador de pressão hidráulica está cheio e com a pressão hidráulica que foi previamente estabelecida.

VANTAGENS DA INVENÇÃO

[0017] A presente invenção proporciona as seguintes vantagens :

Utilizar um servo motor que é expressivamente mais económico do que os motores convencionais;

Refrigeração do óleo - por utilizar ar comprimido, que aciona um cilindro pneumático que trabalha em conjunto com um fuso de esferas, e juntos, movimentam o êmbolo hidráulico da bomba hidráulica, e também é mantido dentro do reservatório de óleo para aproveitar a baixa temperatura do cilindro pneumático gerado pela expansão do ar comprimido, com o objetivo de dissipar o calor do óleo hidráulico, que talvez seja gerado por alguma outra fonte;

Este equipamento é mais compacto e ocupa menos espaço físico;

Utiliza baixo volume de óleo, até 90% menos em relação ao sistema convencional;

Proporciona uma economia de até 90% de energia elétrica .

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0018] A invenção será, a seguir, descrita em sua forma de realização, sendo que, para melhor entendimento, referências serão feitas aos desenhos anexos, no qual estão representadas :

FIGURA 1: Vista em corte do conjunto completo.

FIGURA 2: Detalhe ampliado da passagem do óleo da câmara hidráulica superior para a câmara hidráulica inferior.

DESCRIÇÃO TÉCNICA DETALHADA DA INVENÇÃO

[0019] A UNIDADE HIDRÁULICA COM ACIONAMENTO COMBINADO POR VIA PNEUMÁTICA E SERVO MOTOR contempla um cilindro pneumático (15) que possui um êmbolo pneumático (12) , separando a câmara pneumática inferior (14) da câmara pneumática superior (18) , onde está fixada a haste (23) do cilindro pneumático (15) , o qual está ligado diretamente a um êmbolo hidráulico (7) que se localiza no interior da camisa hidráulica (6) da bomba hidráulica (8), funcionando como pistão da bomba hidráulica (8) , sendo que na outra face deste êmbolo hidráulico (7) , a haste (23) se prolonga para fora da câmara hidráulica superior (31) para receber a porca do fuso de esferas (29) , que receberá torque do servo motor (M) para girar no sentido horário e anti- horário, com o objetivo de deslocar o êmbolo hidráulico (7) para cima e para baixo, realizando o processo de bombeamento do óleo. 0 fuso de esferas (29) está apoiado em rolamentos (2) , que suportam carga radial e axial, e estão montados em um mancai (3) para dar maior rigidez ao sistema.

[0020] O inicio do funcionamento ocorre com a energização do sistema, que alimenta o servo motor (M) e, consequentemente, libera ar comprimido para alimentar a válvula direcional pneumática (11) . Portanto, quando o servo motor (M) estiver girando em sentido horário, ele estará puxando o êmbolo hidráulico (7) para cima e, ao mesmo tempo, a válvula direcional pneumática (11) estará direcionando o ar comprimido para a câmara pneumática inferior (14) , somando a força pneumática com a força gerada pelo torque no fuso de esferas (29) , aumentando, assim, a força que está sendo aplicada no volume de óleo que está armazenado na câmara hidráulica superior (31) , que começa a se deslocar passando pelo orifício (27) da câmara hidráulica superior (31) , forçando a abertura da válvula de retenção superior (24) e sendo levado até o acumulador de pressão hidráulica (25) , onde permanecerá em repouso até o momento da utilização. A válvula de retenção superior (24) ainda conta com uma linha de pressão de saída (26) e um orifício (28) da saída de pressão .

[0021] No mesmo movimento de subida, enquanto o óleo está sendo bombeado para dentro do acumulador de pressão (25) , o êmbolo hidráulico (7) começa a sugar o óleo do reservatório de óleo (16) , que passa pelo filtro de sucção (17) percorrendo a linha de sucção de óleo inferior (19) e forçando a abertura da válvula de retenção (22), chegando até a câmara hidráulica inferior (9), onde continuará sendo preenchido até o êmbolo pneumático (12) chegar ao final de curso. Por seguinte, quando o êmbolo pneumático (12) finalmente chega ao final de curso de subida, o sensor superior (4) é acionado e comanda eletronicamente a inversão no sentido de giro do servo motor (M) , ocorrendo assim, a inversão no sentido de giro do fuso de esferas (29), que passa a girar no sentido anti- horário, e o mesmo comando eletrónico que foi enviado inverte a posição da válvula direcional pneumática (11) , que agora passa a direcionar o ar comprimido para a câmara pneumática superior (18) por meio do orifício (10) que, ao ser preenchida, iniciará o processo de descida do êmbolo hidráulico (7), que exercerá uma força sobre o volume de óleo que se encontra na câmara hidráulica inferior (9), e começará a deslocar este óleo para fora, até o orifício (20) da câmara hidráulica inferior (9), inicialmente forçando a abertura da válvula de retenção (22) e conduzindo até o acumulador de pressão hidráulica (25), onde deverá permanecer até o momento de ser utilizado.

[0022] No mesmo movimento de descida, enquanto o óleo está sendo bombeado para dentro do acumulador de pressão (25) , o êmbolo hidráulico (7) começa a sugar o óleo do reservatório de óleo (16) para dentro da câmara hidráulica superior (31), passando primeiro pelo filtro de sucção (17), percorrendo a linha de sucção de óleo superior (21) e forçando a abertura da válvula de retenção superior (24) e, finalmente, chegando até a câmara hidráulica superior (31) , onde continuará sendo preenchido até o êmbolo pneumático (12) chegar ao final de curso inferior, mantendo o óleo nesta câmara hidráulica superior (31) até o momento em que ocorrerá uma reversão no sentido de giro do fuso de esferas (29) e inversão na direção do deslocamento do êmbolo pneumático (12) .

[0023] Este processo de bombeamento do óleo entra em regime contínuo até o acumulador de pressão (25) ser totalmente preenchido e, quando ficar totalmente cheio, atinge a pressão de trabalho, onde o pressostato (30) é acionado e comanda a desenergização da válvula direcional pneumática (11) , onde essa permanecerá numa posição de centro fechado, e também comanda a desenergização do servo motor (M) , interrompendo o processo de bombeamento de óleo, que será reiniciado quando algum atuador hidráulico começar a se movimentar. Agora, quando algum atuador hidráulico da máquina que está utilizando esta invenção começa a se movimentar, o pressostato (30) registra uma queda de pressão e imediatamente energiza o servo motor (M) e a válvula direcional hidráulica (11) , continuando o processo de bombeamento de óleo do ponto em que parou, mantendo este mesmo regime de trabalho durante todo o tempo necessário. O motivo de parada do servo motor (M) , e também a parada do deslocamento do cilindro pneumático (15) , quando não tem um atuador hidráulico se movimentando, é para evitar um processo de vantagem do óleo, que é a circulação de óleo que não está sendo utilizado para realizar trabalhos, retornando para o reservatório de óleo (16) . Desta forma, esta invenção elimina o aquecimento do óleo, elimina a vibração e ruídos gerados pelo atrito de metal com metal e a vida útil do sistema se estende por períodos muito maiores .

[0024] Portanto, a unidade hidráulica (U) , compreendendo o cilindro pneumático (15) interligado ao servo motor (M) , monitora eletronicamente a necessidade de reposição do volume de óleo do acumulador de pressão (25) e, o seu sistema inteligente, permite bombear somente o volume de óleo que será utilizado, eliminando desperdício de energia elétrica e criando um ambiente de trabalho bem melhor.