Simulazione numerica della valvola di ritegno a farfalla pneumatica utilizzando la fluidodinamica computazionale (CFD)

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2475 (2023) Citare questo articolo

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L'articolo presenta una simulazione numerica CFD di una valvola a farfalla di ritegno utilizzata in un innovativo sistema di controllo per due azionamenti pneumatici. Questo tipo di controllo viene utilizzato in un innovativo dispositivo riabilitativo per gli arti inferiori. Per determinare le condizioni al contorno sono state effettuate prove sperimentali. Le valvole a farfalla sul banco di prova sono state ridimensionate e i valori della portata d'aria sono stati letti per diverse altezze di apertura delle valvole. Lo scopo di questo articolo è presentare una simulazione CFD di una valvola a farfalla di ritegno preregolata. La simulazione numerica (CFD) consente di studiare i fenomeni di flusso all'interno di una valvola di ritegno pneumatica, con diverse dimensioni di intervalli di flusso. I risultati ottenuti hanno permesso di determinare la distribuzione delle quantità fisiche di pressione statica, la velocità del fluido che scorre attraverso la valvola o la distribuzione della velocità vettoriale. Il gruppo valvola a farfalla è stato dimensionato per un adeguato grado di sincronizzazione del movimento degli attuatori a pistone indipendentemente dai diversi carichi esterni agenti su ciascuno di essi. Gli autori hanno studiato i fenomeni del flusso d'aria per diverse altezze di apertura della valvola. La simulazione ha fornito informazioni sul verificarsi di velocità di flusso supersoniche e subsoniche a specifiche altezze di apertura della valvola.

Nei sistemi in cui vengono utilizzati azionamenti pneumatici è necessario il movimento simultaneo degli steli dei pistoni. In caso di carico esterno diverso si osserva un movimento irregolare delle aste del pistone di azionamento. È difficile ottenere lo stesso spostamento delle aste dei pistoni di azionamento sotto carichi diversi1,2, principalmente a causa del fatto che l'aria compressa è comprimibile3,4,5 e c'è anche resistenza al movimento causata dall'autoattrito dei pistoni di azionamento6,7, 8,9,10.

I sistemi pneumatici utilizzano valvole proporzionali11 ed elettrovalvole on/off12,13, con le quali regolare il flusso d'aria5,14. Le elettrovalvole on/off sono comunemente utilizzate nell'industria perché sono componenti pneumatici meno costosi delle valvole proporzionali15,16.

Per ottenere il movimento simultaneo di azionamenti pneumatici, ad esempio, vengono utilizzati sincronizzatori di movimento17,18 valvole a farfalla o valvole di ritegno7,19. Le valvole di ritegno a farfalla sono ampiamente utilizzate in pneumatica come elementi di controllo del flusso in molti settori.

Gli elementi pneumatici più comuni utilizzati per regolare il flusso del mezzo di lavoro sono le valvole a farfalla e le valvole di ritegno. Lo svantaggio di questa valvola è però la sensibilità alle variazioni della forza di carico dell'azionamento dello stelo. Il flusso del fluido di lavoro attraverso l'interstizio della valvola aumenta con la forza di carico20.

La valvola di ritegno a farfalla viene utilizzata per regolare la velocità di estensione o retrazione degli steli dei cilindri pneumatici. Si tratta di un collegamento parallelo di una valvola a farfalla e una valvola di non ritorno. In questa valvola il flusso d'aria viene strozzato in una sola direzione. L'aria scorre attraverso una sezione trasversale ridotta regolabile nella valvola a farfalla e il flusso del mezzo di lavoro chiude la valvola di ritegno. Quando si muove nella direzione opposta, l'aria scorre liberamente con la valvola di non ritorno aperta7.

Nei sistemi idraulici vengono utilizzati sincronizzatori di movimento. Il movimento di sincronizzazione degli azionamenti idraulici viene solitamente effettuato da una valvola proporzionale o servovalvola21. È inoltre possibile incontrare valvole di intercettazione ad alta velocità (HSV)22. HSV viene utilizzato ad esempio per la regolazione della pressione23 e anche per la regolazione della posizione24. Gli autori dell'articolo25,26 hanno presentato il controllo degli elementi di azionamento idraulici attraverso una valvola on-off ad alta velocità. Gli autori hanno utilizzato un algoritmo di controllo della sincronizzazione cooperativo, PWM-PFM (modulazione di larghezza di impulso-modulazione di frequenza di impulso). In letteratura27,28, gli autori hanno progettato un controller per implementare il controllo con il tracciamento della traiettoria di velocità delle aste dei pistoni degli azionamenti.