Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Spectroscopic monitoring during laser welding of aluminium alloy

The mechanical properties of aluminium alloys are strongly influenced by the alloying elements and their concentration. In the case of aluminium alloy EN AW-6060 the main alloying elements are magnesium and silicon. The first goal of this thesis was to determine stability, repeatability and sensitivity as figures of merit of the in-situ melt identification technique. In this study the emissions from the laser welding process were monitored with a spectrometer. With the information produced by the spectrometer, quantitative analysis was conducted to determine the figures of merit. The quantitative analysis concentrated on magnesium and aluminium emissions and their relation. The results showed that the stability of absolute intensities was low, but the normalized magnesium emissions were quite stable. The repeatability of monitoring magnesium emissions was high (about 90 %). Sensitivity of the in-situ melt identification technique was also high. As small as 0.5 % change in magnesium content was detected by the spectrometer. The second goal of this study was to determine the loss of mass during deep penetration laser welding. The amount of magnesium in the material was measured before and after laser welding to determine the loss of magnesium. This study was conducted for aluminium alloy with nominal magnesium content of 0-10 % and for standard material EN AW-6060 that was welded with filler wire AlMg5. It was found that while the magnesium concentration in the material changed, the loss of magnesium remained fairly even. Also by feeding filler wire, the behaviour was similar. Thirdly, the reason why silicon had not been detected in the emission spectrum needed to be explained. Literature research showed that the amount of energy required for silicon to excite is considerably higher compared to magnesium. The energy input in the used welding process is insufficient to excite the silicon atoms.

Chapa aglomerada de cimento-madeira de Hevea brasiliensis Müll. Arg.

Chapas de partículas de cimento-madeira foram confeccionadas com a madeira de quatro clones de Hevea brasiliensis Müll. Arg. (seringueira): IAN 717, IAN 873, GT 711 e AVROS 1301. Confeccionaram-se as chapas na proporção de 1:4:1 (madeira:cimento:água) por peso e nas dimensões de 450 x 450 x 13 mm e densidade nominal de 1,4 g/cm³, com a adição de 4% de cloreto de cálcio di-hidratado (CaCl2.2H2O) como acelerador. Foram testadas partículas fervidas e não-fervidas dos quatro clones, totalizando oito tratamentos, sendo em cada um destes, com quatro repetições, avaliadas as propriedades mecânicas e físicas das chapas, segundo a norma ASTM D 1037 - 96a. De forma geral, os melhores resultados de propriedades físicas e mecânicas foram obtidos nas chapas com partículas do clone AVROS 1301. No teste de hidratação do cimento, a madeira de seringueira in natura foi classificada como de "inibição extrema", porém com a adição de CaCl2 o foi como de "baixa inibição". Essa madeira se mostrou tecnicamente viável à produção de chapas de cimento-madeira, independentemente do clone.

Utilização de fibras (epicarpo) de babaçu como matéria-prima alternativa na produção de chapas de madeira aglomerada

O objetivo deste trabalho foi avaliar a utilização de fibras (epicarpo) de babaçu (Orbignya spp) em combinação com partículas de Pinus elliottii em diferentes proporções na confecção de chapas de madeira aglomerada, bem como avaliar o efeito de dois teores de adesivo à base de uréia-formaldeído. As chapas foram prensadas a 160 ºC, utilizando-se dois níveis de resinas (6 e 8%, base peso seco de partículas) e tempo de prensagem de 10 min, obtendo-se oito tratamentos. Para cada tratamento foram feitas três repetições, totalizando 24 chapas, com densidade nominal de 0,70 g/cm³. As propriedades avaliadas foram: flexão estática - módulo de ruptura (MOR) e módulo de elasticidade (MOE); tração perpendicular-ligação interna (LI); estabilidade dimensional - inchamento em espessura (IE) 2 e 24 horas e absorção de água (AA) 2 e 24 horas, de acordo com a norma ASTM D 1037-91. O aumento do teor de fibras de babaçu associado ao aumento no teor de adesivo contribuiu para a redução nos valores de inchamento em espessura e absorção de água. O aumento do teor de adesivo de 6 para 8% foi fundamental para a melhoria das propriedades inchamento em espessura, absorção em água, módulo de ruptura e módulo de elasticidade. Utilizando até 30% de fibras de babaçu na composição das chapas, os valores de MOR foram superiores aos estabelecidos pela CS 236-66.

Perfil produtivo das empresas de madeira compensada no estado do Paraná

O segmento produtivo da madeira compensada passa por reestruturações mundiais. Este artigo buscou avaliar o desempenho produtivo de empresas paranaenses, bem como sugerir parâmetros de eficiência, os quais podem aumentar a competitividade das empresas. Aqui são avaliados indicadores de eficiência produtiva, obtidos através de amostragem direta em uma parcela significativa de empresas de compensado do Paraná, durante os meses de março a junho de 2002 (42% das empresas paranaenses) e de março a maio de 2007 (34% das empresas). Foi observado crescimento na eficiência produtiva de determinados tipos de empresas, principalmente nas empresas de compensados de Pinus. Esse crescimento está baseado no uso mais intensivo da capacidade nominal e não necessariamente na melhoria tecnológica. Outro tipo de empresa que obteve melhorias foi a de compensados para construção civil, impulsionado pelo crescimento desse setor. As demais empresas mantiveram suas produções constantes, mesmo com o crescimento geral da economia brasileira. Assim, através dessas informações é possível embasar e definir estratégias empresariais e setoriais.

WiseRoot-prosessilla hitsatun päittäisliitoksen väsymislujuus

Työssä tutkittiin Kempin WiseRoot-prosessilla hitsattujen päittäisliitosten väsymiskestävyyttä laboratoriokokein ja väsymiskestävyyden mitoitusmenetelmillä. WiseRoot-hitsausprosessi on räätälöity lyhytkaariprosessi juuripalkojen hitsaukseen yhdeltä puolelta. Väsytyskoekappaleissa käytettiin eri lujuusluokan rakenneteräksiä sekä materiaalipaksuuksia. Mantsinen Group Ltd Oy hitsasi lisäksi yhdeltä ja kahdelta puolelta hitsattuja vertailukappaleita normaalilla MAG-hitsausprosessilla. Väsymismitoitus tehdään yleisesti perustuen väsymisluokkiin, joten väsytyskokeilla ja mitoitusmenetelmillä saatuja tuloksia tarkasteltiin näiden luokitusten avulla. Tuloksia vertailtiin sekä keskenään että standardeista löytyviin väsymisluokkasuosituksiin. Väsymiskestävyyden mitoitusmenetelmistä työssä käytettiin nimelliseen jännitykseen, teholliseen lovijännitykseen ja paikalliseen venymään perustuvaa menetelmää sekä murtumismekaniikkaa. Laboratoriokokeiden perusteella voidaan todeta, että WiseRoot-hitsausprosessilla on mahdollista tuottaa yhdeltä puolelta päittäisliitos, jonka väsymiskestävyys on verrattavissa kahdelta puolelta hitsattuun päittäisliitokseen. Mitoitusmenetelmillä saadut tulokset olivat pääsääntöisesti konservatiivisia verrattuna koetuloksiin. Ainoastaan paikalliseen venymään perustuvalla menetelmällä saadut väsymisluokat olivat suurempia kuin väsytyskoetulosten perusteella lasketut väsymisluokat.

Eficiência dos óleos de nim (Azadirachta indica) e de mamona (Ricinus communis) na proteção da madeira de sumaúma (Ceiba pentandra)contra cupins xilófagos em ensaio de preferência alimentar

Esta pesquisa objetivou avaliar a eficiência dos óleos de nim (Azadirachta indica) e de mamona (Ricinus communis) na melhoria da resistência da madeira de sumaúma (Ceiba pentandra) ao térmita xilófago Nasutitermes corniger em ensaio de preferência alimentar. Os óleos das sementes de nim e de mamona foram extraídos com álcool etílico absoluto e empregados no preparo das soluções preservativas. Amostras de madeira com dimensões de 2,0 x 10,16 x 0,64 cm (radial x longitudinal x tangencial) foram tratadas para atingir uma retenção nominal de 10 a 16 kg de solução por metro cúbico de madeira, sendo parte das amostras tratadas submetida ao envelhecimento (volatilização ou lixiviação). As amostras tratadas foram submetidas à ação de cupins em ensaio de preferência alimentar. Os referidos óleos pouco contribuíram para a melhoria da resistência da madeira de sumaúma ao cupim testado. Entre as soluções testadas, o óleo de mamona puro foi o mais eficiente. O envelhecimento das amostras pouco influenciou na resistência da madeira. Os óleos de nim e de mamona puros e suas soluções, mesmo apresentando algum efeito de repelência aos cupins, não evidenciaram efeito duradouro, indicando que esses produtos não devem ser empregados no tratamento da madeira com o objetivo de melhorar sua resistência a cupins xilófagos.

Mistura de três espécies de reflorestamento na produção de painéis cimento-madeira

Este trabalho teve por objetivo avaliar a viabilidade técnica de produção de painéis cimento-madeira compostos por diferentes proporções de resíduos das madeiras de cedro-australiano (Toona ciliata M. Roem.), Pinus taeda e clone de híbrido de Eucalyptusgrandis x Eucalyptus urophylla,utilizando-se dois processos distintos de cura: vaporização e climatização. Foi utilizado o cimento Portland CP V - ARI/Plus como aglomerante e o cloreto de cálcio como aditivo químico. As partículas de madeira foram previamente tratadas em água fria durante 24 h. Foram considerados os seguintes parâmetros: relação madeira/cimento - 1/2,75; relação água/cimento - 1/2,5 (base peso do cimento); taxa de água de hidratação/cimento - 25% (base peso do cimento); aditivo químico - 4% (base peso do cimento); densidade nominal - 1,10 g/cm³; e dimensões dos painéis - 480 x 480 x 150 mm. Os parâmetros de prensagem foram: temperatura ambiente, pressão específica de 40 kgf/cm² e tempo de 10 min. O tempo de grampeamento foi de 24 h. As propriedades avaliadas foram absorção de água e inchamento em espessura após 24 h, flexão estática, compressão e ligação interna. O experimento foi instalado segundo um delineamento inteiramente casualizado com três repetições e seis tratamentos, arranjados num esquema fatorial de três composições x dois processos de cura. Os painéis compostos pela mistura de T. ciliata com o clone de Eucalyptus apresentaram valores médios superiores para inchamento em espessura e resultados inferiores para a maioria das propriedades mecânicas. A cura a vapor melhorou as propriedades físicas, mas afetou negativamente a maioria das propriedades mecânicas.

Produto interno bruto do setor florestal brasileiro, 1994 a 2008

Este trabalho analisou e estimou, conforme metodologia apresentada em Passos e Nogami (2006), o Produto Interno Bruto (PIB) do setor florestal brasileiro, no período de 1994 a 2008. Os resultados indicaram que o setor florestal contribuiu para o PIB brasileiro, mas essa contribuição diminuiu ao longo dos anos; o segmento da madeira processada mecanicamente foi o que mais contribuiu para o PIB do setor florestal; o aumento no PIB nominal foi causado, em grande parte, pelo incremento dos preços dos produtos florestais; e o segmento de produtos florestais não madeireiros perdeu participação no PIB do setor florestal.

Material envoltório na drenagem subterrânea

Em solos de baixa estabilidade estrutural, o transporte, pela água, de partículas do solo para o interior do tubo drenante pode contribuir para o colapso de sistemas de drenagem, devendo o mesmo ser evitado com o uso adequado de envoltório, considerando a importância da drenagem para uma produção agrícola sustentável. Diante disso, esta pesquisa foi realizada com o objetivo de estudar o comportamento de três materiais envoltórios, sendo dois amplamente utilizados, bidim OP-20 e brita zero, e outro composto de espuma com 5 mm de espessura, que é um material não-convencional. Os tubos drenantes utilizados foram o Drenoflex e o Kananet, com diâmetro nominal de 65 e 75 mm, respectivamente. O desempenho dos envoltórios foi avaliado pela resistência de entrada e descarga, parâmetros tradicionalmente recomendados para esse tipo de análise. Verificou-se que os envoltórios avaliados apresentaram desempenhos hidráulicos satisfatórios, sendo o envoltório em brita zero superior, seguido do material espuma. Concluiu-se, então, que a espuma pode ser utilizada como material envoltório alternativo na drenagem, apresentando, inclusive, desempenho hidráulico superior ao envoltório em manta bidim OP-20.

Avaliação de meios filtrantes primários em filtro contínuo de tambor rotativo a vácuo para lodo de caldo de cana

Este estudo teve o objetivo de avaliar o comportamento de treze tipos de meios filtrantes primários desenvolvidos para uso na filtração a vácuo de lodo de caldo de cana, simulando as operações de formação e desidratação da torta em filtros contínuos de tambor rotativo a vácuo, empregados nas indústrias de açúcar e álcool do Brasil. Para tanto, foi desenvolvida uma planta-piloto anexa ao filtro de tambor rotativo a vácuo, na qual foram realizados todos os ensaios, com o objetivo de refletir a realidade das variáveis operacionais durante uma safra sucroalcooleira. Os resultados são apresentados, comparando-se as taxas de filtração, variando a pressão de formação da torta, temperatura e concentração de auxiliar filtrante, mostrando ao usuário um novo caminho para o melhoramento quantitativo e qualitativo, sem aumentar a área nominal da unidade de filtração.

Avaliação do espectro de gotas de pontas de pulverização hidráulicas utilizando a técnica da difração do raio laser

As pontas de pulverização são os componentes mais importantes dos pulverizadores na aplicação de agrotóxicos. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo avaliar o espectro de gotas de pontas de pulverização hidráulicas de jato plano (standard e antideriva) e de jato cônico vazio, disponíveis no mercado, submetidas a diferentes pressões da calda. Em ambiente controlado, avaliou-se o espectro de gotas, por meio de um analisador a laser de gotas em tempo real, nas pressões de 200; 300 e 400 kPa para as pontas de jato plano, e de 400; 500 e 600 kPa para as pontas de jato cônico. Os resultados permitiram concluir que: o espectro de gotas foi influenciado pela vazão nominal das pontas e pela pressão da calda; o potencial de deriva das pontas de jato plano standard e de jato cônico vazio foi alto; o uso de pontas de pulverização antideriva dotadas de pré-orifício aumentou o diâmetro das gotas, constituindo-se, portanto, em fator auxiliar para a redução da deriva nas pulverizações, e a avaliação do espectro de gotas empregando-se a técnica da difração do raio laser mostrou-se rápida e precisa.

Conformidade de acessos e de saídas de postos de operação em tratores agrícolas segundo norma NBR/ISO 4252

Este trabalho teve como objetivo avaliar a conformidade dos acessos e de saídas dos postos de operação em tratores agrícolas, por meio de população amostral dos tratores fabricados no Brasil. Para a avaliação, diversos itens referentes aos acessos e às saídas dos postos de operação foram analisados qualitativa e quantitativamente com base nos padrões da Norma NBR/ISO 4252. Ao final do trabalho, foi observado que os tratores classificados na Classe III, quanto à potência nominal do motor, atendem ao maior número de requisitos da Norma em comparação a tratores da Classe II. Dentre os itens avaliados, a altura da plataforma até o teto dos postos de operação foi atendida por todos os modelos. As presenças de batentes de proteção sobre os degraus e de corrimão para o operador foram os itens em maior desconformidade sobre os tratores. Como resultado médio, a população amostral foi conforme em 66% dos itens analisados. Os tratores dotados de motores de maior potência apresentaram, em geral, acessos e saídas dos postos de operação mais ergonômicos e seguros. De maneira geral, conclui-se pela baixa conformidade dos itens de ergonomia e de segurança dispostos ao operador sobre os postos de operação em tratores agrícolas nacionais.

Dimensionamento de motores para o bombeamento de água

O dimensionamento de motores com potência acima da necessária acarreta maior custo inicial, menor rendimento e menor fator de potência. Desde 1996, que se fabricam no Brasil motores elétricos com fator de serviço maior do que a unidade, obedecendo a valores prescritos em norma. O fator de serviço informa a potência disponível do motor em regime contínuo para as condições de carga nominal. A literatura técnica de dimensionamento de motores para acionamento de bombas hidráulicas indica a necessidade da adoção de acréscimos na potência dos motores. Tanto o fator de serviço, quanto o acréscimo na potência constituem fatores de segurança para o dimensionamento. Estes fatores de segurança têm a função de suprir maior demanda de potência devido a variações nas condições de trabalho, como curvas características da bomba ou do motor, e a qualidade de energia, como oscilação e desequilíbrio do sinal de tensão. Conclui-se que não seja utilizado acréscimo na potência no dimensionamento de motores com fator de serviço maior do que a unidade para acionamento de bomba hidráulica, tendo em vista que o superdimensionamento pode acarretar redução de rendimento do sistema e maior custo inicial. O dimensionamento que considera, simultaneamente, os dois fatores de segurança, implica superdimensionamento de 15% a 88%.

Control system for forced-air cooling of horticultural products

This work is a study of the implementation of a classical controller using a tuning method referred to as IMC (Internal Model Control) and aimed at the reduction of electrical energy consumption by the appropriate relation between energy consumption and the cooling time with forced air. The supervisory system installed was able to manipulate the variable of frequency of the signal power of the exhaust fan engine (forced air module), to accelerate or decelerate the loss of heat from the product to be cooled by airflow variation that passes through the mass of the produce. The results demonstrated a reduction in energy consumption from 64% and an increase of only 8% in the cooling time to the system using PI/IMC (Proportional - Integral with IMC) tuning method compared with the system in its operating nominal condition. This PI/IMC control may be implemented directly in a frequency converter, without the need to purchase a computer or PLC (programmable logic controller) to run the dedicated application, increasing its economical viability.