Metodologia per a la miniaturització de components oleohidràulics.

Abstract

La Tesi en qüestió presenta una metodologia per a l'estudi de les Vàlvules Limitadores de Pressió i concretament en les que presenten un tamany reduït, taps de 10 [mm] i amb seccions de pas de fins a 2 [mm], amb prestacions definides per a Q<5 [l/min] i P<150 [bar]. L'estudi es presenta en base a aprofundir en el coneixement dels fenòmens estàtics, dinàmics i fluidodinàmics que es produeixen durant el funcionament de la mini VLP i la variació d'aquest comportament en funció de variables pròpies de disseny. Aquest estudi s'enfoca en dos vessants diferenciades però complementàries.<br/><br/>Es pretén deduir criteris de disseny en base a<br/><br/>- Comportament dinàmic. Estudi de l'equació del moviment de l'obturador en funció dels paràmetres globals de disseny com, rigidesa de la molla, diàmetre d'entrada, massa del tap de la mini VLP. <br/>- La fluidodinàmica interna. Estudi de la fluidodinàmica interna de la mini VLP en funció dels paràmetres de disseny específics del tap o obturador de la mateixa. per tal de realitzar aquesta tasca s'utilitza el programa de simulació numèrica Fluent.<br/><br/>La Tesi s'estructura en base a aquests dos estudis i presenta les següents etapes.<br/><br/>- Anàlisis crític de l'estat de l'art.<br/>- Desenvolupament d'un model teòric de funcionament en règim permanent i transitori d'una mini VLP. Aquesta modelització es realitza per mitjà de la linealització de les equacions governants del procés i la posterior implementació en un programa de simulació, Matlab-Simulink, per a la obtenció de les corbes de funcionament i les zones d'estabilitat de la mini VLP.<br/>- Anàlisis, mitjançant simulació numèrica, de la fluidodinàmica interna de la mini VLP en funció d'una geometria definida.<br/>- Anàlisis experimental. Es dissenya i construeix un banc experimental d'assaig per a contrastar i validar experimentalment els models proposats de la mini VLP.<br/><br/>L'objectiu de la Tesi es desenvolupar una nova metodologia que combini les eines de simulació amb equacions governants amb mètodes computacionals avançats i test de laboratori profund per tal de comprendre el comportament de nous components oleohidràulics de tamany reduït, aprofundint en aquells criteris de disseny que són més sensibles a la miniaturització. <br/><br/>S'ha aplicat aquesta metodologia en diferents tipologies geomètriques de tap. S'han simulat i assajat geometries còniques guiades i no guiades, geometries amb valona (xamfrà) sense guiar i geometries planes amb disseny singular guiades i sense guiar.<br/><br/><br/><br/><br/><br/><br/>Es presenta a continuació un recull dels aspectes més importants del desenvolupament de la Tesi.<br/><br/>Els resultats de la simulació fluidodinàmica posa d'evidència la importància de la simetria del fluxe i el guiat de l'obturador amb l'objecte d'evitar inestabilitats no desitjables. El guiat del tap és clau per a l'obtenció d'un nivell de funcionament òptim. Sobret tot en el cas del nivell sonor.<br/><br/>Les inestabilitats i sorolls generats com a conseqüència de l'aparició de cavitació són inevitables. En general es manifesten en una gamma de freqüències superiors als 3000 [Hz]. La seva incidència en el comportament global de la mini VLP es pot considerar moderat i acceptable.<br/><br/>Les inestabilitats els efectes de les quals són més severes són conseqüència dels graus de llibertat que posseeix l'obturador. La autoexcitació en aquests casos pot arribar a efectes sonors molt apreciables i molestos. S'ha de facilitar per tots els mitjans el guiat de l'obturador. <br/><br/>Ha quedat demostrat la idoneïtat de la metodologia de pre disseny de la mini VLP basada en l'aplicació dels principis bàsics de conservació de la massa, quantitat de moviment i energia en forma de balanços integrals. Per estudiar el comportament dinàmic i predir la influència de paràmetres bàsics tals com massa de l'obturador, constant elàstica de la molla, etc, és suficient deduir el criteri d'estabilitat a partir de la linealització de les equacions anteriors. <br/><br/>De tots els resultats es destaquen les idees següents.<br/><br/>Utilització de carcassa de metacrilat en la realització de les proves experimentals que ha permès entendre la fenomologia fluidodinàmica existent i relacionar-la amb els valors de les variables de funcionament, poden establir zones diferents de funcionament.<br/><br/>La utilització de les eines de simulació, concretament el mòdul de malla dinàmica del programa de volums finits Fluent, ha permès obtenir resultats fins ara no presentats. Considerant-ne un avanç important, la introducció d'aquest tipus de simulacions en el sector oleohidràulic.<br/><br/>Els fenòmens de vibració en valors de freqüència pròpia es destaquen com els més perjudicials en el funcionament de la mini VLP. Es demostra que la geometria no juga cap paper esmorteïdor d'aquest fenomen.

This Thesis presents a methodology for the study of mini relief valve of small size, plugs of 10 [mm] and flow paths of about 2 [mm]. The main characteristics of this component are Q<5 [l/min] i P<150 [bar]. This work is focused in a better understanding of the static, dynamic and fluid dynamic behaviour and how this is afected by the cariation of own design variables. This study has two main areas, <br/><br/>- Dynamic behaviour. Study of the movement equation of the plug as a function of the global design parameters like for example spring stiffness, inlet diameter or plug mass.<br/>- Internal fluid dynamic. Study of the internal fluid dynamic behaviour of the mini relief valve as a function of the specific design characteristics of the plug. This work is made by the use of numerical simulations.<br/><br/>The Thesis is structured as follow,<br/><br/>- State of the art. Critical analysis.<br/>- Development of a theoric model in steady and transient state. This modelization is done with Matlab-Simulink and the stability zones are obtained.<br/>- Analysis using numerical simulations of the internal flow as function of a defined geometry.<br/>- Experimental test. A test bench has been designed and constructed to obtain the real behavior of the mini relief valve and to be compared with theoric models.<br/><br/>The aim of this Thesis is to develop a new methodology that assembly the theoretical models, the numerical simulation tools and experimental tests, to understand the behavior of mini hydraulic components and the design variables that are more affected by the miniaturization.<br/>This methodology has been applied to different plug geometries. Conical or non conical plugs, guided or non guided plugs have been simulated and tested. Is shown briefly the most important results of this work.<br/><br/>The numerical simulation results show how important is the flow symmetry and the plug guidance in order to eliminate non desired instabilities. This is a key point in the attenuation of the sound level. <br/>The instabilities and noise generated as a consequence of cavitation are non avoidable. They appear at 3000 [Hz] or higher. The affectation degree in the mini relief valve global behavior is acceptable.<br/>Depending on the freedom degrees of the plug, the instabilities increase and the global behavior can be really affected. Guidance is strongly recommended. <br/>The application of the main equations as a predesign methodology has allowed the obtaining of the stability criterion related to the mini relief valve basic parameters.<br/>The use of a methacrilate body in the test has made possible the understanding of the internal fluid dynamic and the relation with the global working parameters. <br/>The results obtained with the dynamic mesh used in the numerical simulations open a new and interesting research field in hydraulic components. <br/>The most detrimental behavior is related with the mini relief valve resonance frequency. The geometry does not attenuate this vibration behavior.