BRPI0719103A2 - Sistema de controle de desequilíbrio para máquina de lavar com eixo geométrico de rotação vertical - Google Patents

Sistema de controle de desequilíbrio para máquina de lavar com eixo geométrico de rotação vertical Download PDF

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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE CONTROLE DE DESEQUILÍBRIO PARA MÁQUINAS DE LAVAR COM EIXO GEOMÉTRICO DE ROTAÇÃO VERTICAL".
A presente invenção refere-se a um sistema para controlar o de- 5 sequilíbrio do conjunto de lavagem em uma máquina de lavar de eixo geo- métrico de rotação vertical.
Mais especificamente, na descrição a seguir, o termo "máquina de lavar de eixo geométrico de rotação vertical" refere-se a uma máquina de lavar compreendendo um tambor de lavagem girado por uma unidade de 10 acionamento elétrico em torno de um eixo geométrico substancialmente ver- tical ou em torno de um eixo geométrico inclinado com relação a um eixo geométrico vertical.
Como é sabido, nas máquinas de lavar de eixo geométrico de rotação vertical, o desequilíbrio do conjunto de lavagem causado pela carga 15 dentro do tambor deve ser determinado continuamente durante o ciclo de centrifugação para controlar adequadamente a rotação do tambor no caso de desequilíbrio excessivo, que pode resultar na colisão do conjunto de la- vagem com o envoltório externo, e danificando assim, a máquina de lavar.
Nas máquinas de lavar do tipo acima, as etapas também devem ser realizadas para reduzir a vibração e andar da máquina na superfície de suporte durante o ciclo de centrifugação.
Nas máquinas de lavar de eixo geométrico vertical comercializa- das atualmente, as desvantagens acima são parcialmente solucionadas pela calibragem adequada de um número de parâmetros operacionais caracterís- 25 ticos do ciclo de lavagem. De acordo com o grande número de parâmetros envolvidos, no entanto, a calibragem é complexa e não elimina totalmente o risco de colisão do conjunto de lavar, e/ou vibração, e/ou o andar da máqui- na de lavar referidos acima.
É um objetivo da presente invenção se fornecer um sistema para controlar o desequilíbrio do conjunto de lavagem em uma máquina de lavar de eixo geométrico de rotação vertical e que impede a colisão do conjunto de lavagem com o envoltório, e, ao mesmo tempo, reduz muito a vibração e/ou andar da máquina de lavar.
De acordo com a presente invenção, é fornecido um sistema para o controle do desequilíbrio do conjunto de lavagem em uma máquina de lavar de eixo geométrico de rotação vertical, de acordo com as reivindica- ções em anexo.
Uma modalidade não limitadora da presente invenção será des- crita por meio de exemplo com referência aos desenhos em anexo, nos quais:
a figura 1 ilustra de forma esquemática uma máquina de lavar caracterizando um sistema para o controle do desequilíbrio do conjunto de lavagem de acordo com a presente invenção;
a figura 2 ilustra um gráfico de uma função relacionada com o desequilíbrio do conjunto de lavagem da máquina de lavar da figura 1.
A presente invenção é substancialmente baseada no princípio
de:
estruturação do conjunto de lavagem de uma máquina de lavar de eixo geométrico vertical de forma que, à medida que o tambor de lava- gem e a carga dento do tambor giram em torno do eixo geométrico respecti- vo de rotação, o movimento do centro da massa do conjunto de lavagem 20 possui um componente oscilante vertical em uma primeira direção substan- cialmente paralelo ao dito eixo geométrico de referência vertical (V);
- medição de um número de quantidades operacionais associa- das com a rotação do tambor e da carga relativa, para determinar, como uma função dos valores de quantidade, o padrão de amplitude e tempo da
dita oscilação vertical do centro da massa do conjunto de lavagem;
- determinação da amplitude máxima da oscilação vertical do conjunto de lavagem na direção vertical dentro de um determinado intervalo de tempo;
- determinação de se a amplitude máxima da oscilação vertical satisfaz uma relação predeterminada com um limite predeterminado;
- determinação de uma condição de desequilíbrio crítica do con- junto de lavagem quando a dita relação predeterminada é satisfeita; - controle da velocidade de rotação do tambor, quando a dita condição de desequilíbrio crítica é determinada.
Com referência à figura 1, o número 1 indica de forma esquemá- tica como um todo uma máquina de lavar compreendendo um envoltório ex- 5 terno preferivelmente, mas não necessariamente, em forma de paralelepípe- do 2 se apoiando em um piso 3 em um número de pés 4.
O envoltório 2 aloja um conjunto de lavagem 5, que é fixado às paredes laterais do alojamento 2 por um número de dispositivos de absorção de choque 6, de forma que o eixo geométrico longitudinal A do conjunto de 10 lavagem seja substancialmente paralelo a um eixo de referência vertical v, e que, por sua vez, compreende substancialmente uma cuba substancialmen- te cilíndrica ou câmara de lavagem 7 alojando um tambor de lavagem 8 gira- do, dentro da cuba ou câmara de lavagem 7, em torno de um eixo geométri- co de rotação R substancialmente coaxial com o eixo geométrico longitudinal 15 A do conjunto de lavagem 5.
O envoltório 2 possui uma abertura 9 formada na parede superi- or 10 do envoltório 2 para acessar o tambor 8; e uma porta 11 fixada à pare- de superior 10 para vedar a abertura 9.
O conjunto de lavagem 5 também compreende uma unidade de 20 acionamento elétrico 12, por exemplo, um motor elétrico, fixado â base da câmara de lavagem 7, e o eixo de saída do qual é conectado, através de um elemento de acionamento 13 compreendendo, por exemplo, uma correia de acionamento, a um eixo de acionamento 14 para girar o tambor 8 e posicio- nado de forma coaxial com o eixo geométrico de rotação R.
Mais especificamente, no exemplo da figura 1, a unidade de a-
cionamento elétrico 12 é fixada à parede inferior da câmara de lavagem 7, com seu eixo geométrico longitudinal a uma distância D do eixo geométrico de rotação R do tambor 8, de forma que o centro da massa B do conjunto de lavagem 5 não seja alinhado com o eixo geométrico de rotação R. No exem- 30 pio ilustrado, o centro da massa B do conjunto de lavagem 5 sem a carga é localizado a uma distância Db do eixo geométrico de rotação R.
Em uma modalidade alternativa não ilustrada, a unidade de a- cionamento elétrico 12 é fixada ao centro da base da câmara de lavagem 7, com seu eixo de saída encaixado ou conectado ao eixo de acionamento 14 do tambor 8; e o conjunto de lavagem 5 possui uma parte adicional de um peso determinado e fixado a uma distância predeterminada do eixo geomé- 5 trico de rotação R, de forma que o centro da massa B do conjunto de lava- gem 5, sem carga, não seja alinhado com o eixo geométrico de rotação R, isto é, seja localizado a uma distância Db do eixo geométrico de rotação R.
Testes mostram que o desvio do cento da massa B com relação ao conjunto de lavagem 5, com ou sem carga, com relação ao eixo geomé- 10 trico de rotação do tambor 8, isto é, distanciando o centro da massa B do eixo geométrico de rotação R, produz um movimento da massa central B possuindo um componente oscilante vertical devido ao modo cônico de vi- bração.
Por outro lado, se o eixo geométrico de rotação não for vertical o modo cilíndrico de vibração produz um movimento da massa central B pos- suindo um componente oscilante vertical.
De fato, a vibração em estado estável do conjunto de lavagem 5 devido ao desequilíbrio da carga na máquina de lavar 1 pode ser dividida nos movimentos característicos separados a seguir: o movimento cilíndrico e o movimento cônico.
No movimento cilíndrico o eixo geométrico de rotação R do tam- bor 8 move em paralelo a si mesmo, definindo, dessa forma, de maneira ge- ométrica um cilindro cuja seção transversal não é necessariamente circular: na maior parte dos casos é muito próxima a uma elipse, mais geralmente é uma curva fechada.
No movimento cônico o eixo geométrico de rotação R do tambor
8 move pela alteração de sua orientação com relação a um quadro inercial de referência: durante o movimento cônico as posições do eixo geométrico de rotação pertencem a um cone cujas seções transversais não são neces- sariamente circulares: na maior parte dos casos muito próximas de uma e- lipse, mais geralmente são curvas fechadas.
Para o movimento cônico pode-se definir um valor médio do ân- guio α do cone, enquanto para o movimento cilíndrico pode-se definir o raio médio da seção transversal. Ademais, é possível se definir um ângulo β co- mo o valor médio de inclinação do eixo geométrico de rotação R com relação ao eixo geométrico vertical v quando a máquina de lavar 1 está girando.
Considerando-se as condições estáveis descritas acima, o mo-
vimento cilíndrico do eixo geométrico de rotação R produz um movimento oscilante vertical do centro da massa B apenas se o eixo geométrico não for vertical. Em outras palavras, pode-se escrever
h s r ■ sin β = r ■ β
Considerando-se novamente as condições estáveis, o movimen- to cônico produz um movimento oscilante vertical do centro da massa B a- penas se o centro da massa B propriamente dito não pertencer ao eixo ge- ométrico de rotação R. Em outras palavras, pode-se escreve o seguinte:
h = a Dfrf
onde Dm é a distância do centro da massa B do conjunto de lavagem 5 com carga dentro do tambor do eixo geométrico de rotação R.
Acontece que nas condições estáveis e no caso da pior relação
de fase entre os movimentos cônicos e cilindros pode-se obter:
h =r · β + a ■ Dm A partir dessa fórmula pode-se observar que o movimento verti- cal h do centro da massa B é determinado pelo movimento do conjunto de lavagem 5 e por dois parâmetros da máquina de lavar, isto é, a inclinação β do eixo geométrico de rotação Rea distância Dm entre o centro da massa B e o eixo geométrico de rotação R. De fato, para uma máquina de lavar com um eixo geométrico perfeitamente vertical (β=0) e com o centro da massa B pertencendo ao mesmo eixo geométrico (Dm=O), nenhum movimento vertical do centro da massa B pode ser produzido pela vibração do conjunto de Ia- vagem. Portanto, sob essas circunstâncias a vibração do grupo não induzirá qualquer modificação no torque ou sinal de velocidade (isto é, na função de desequilíbrio). Poroutro lado, os ângulos de inclinação maiores e/ou maiores distâncias do centro de massa B do eixo geométrico do tambor induzirão modificações mais fortes no torque e nos sinais de velocidade. No exemplo ilustrado, testes mostram que o movimento vertical do centro da massa B como sendo proporcional ao grau de desequilíbrio do conjunto de lavagem 5. A relação entre o movimento vertical h do centro da massa Beo grau de desequilíbrio serão descritos em detalhes abaixo.
O posicionamento da unidade de acionamento elétrico 12 a uma
distância D do eixo geométrico de rotação R, de forma a distanciar o centro da massa B do eixo geométrico de rotação R, produz, portanto, à medida que o tambor 8 gira, oscilações substancialmente verticais h(t) do conjunto de lavagem 5, que são proporcionais ao grau de desequilíbrio do conjunto de lavagem 5.
Ademais, o componente oscilante vertical acima da massa cen- tral B também é alcançado posicionando o conjunto de lavagem 5 com seu eixo geométrico longitudinal A inclinado consideravelmente com relação ao eixo geométrico de referência vertical V.
A máquina de lavar 1 também compreende um sistema de con-
trole 15 para determinar uma condição de desequilíbrio crítica do conjunto de lavagem 5 como descrito em detalhes abaixo, e que controla a unidade de acionamento elétrico 12 para o tambor 8; um segundo bloco de computa- ção 20 para suprir um valor J para ajustar a velocidade de rotação do tambor 8 como uma função da condição de desequilíbrio crítico detectada.
O sistema de controle 15 compreende substancialmente uma unidade de controle 16 para controlar a unidade de acionamento elétrico 12; e uma unidade de processamento 18 para determinar a presença ou não de uma condição de desequilíbrio crítico do conjunto de lavagem 5.
Mais especificamente, a unidade de processamento 18 compre-
ende um primeiro bloco de computação 19 para suprir de forma contínua um valor indicando o torque de acionamento Tm(t) impresso pela unidade de acionamento elétrico 12 para indicar o momento de inércia da massa do tambor 8 e da carga dentro do mesmo; e um terceiro bloco de computação 21 para suprir um valor indicando a aceleração angular a(t) do tambor 8.
No exemplo ilustrado, o primeiro bloco de computação 19 pode determinar o torque de acionamento Tm(t) como uma função de uma quanti- dade de corrente elétrica/voltagem gerada pela unidade de controle 16 quando o controle da velocidade de rotação do eixo de saída da unidade de acionamento elétrico 12; e o momento de inércia da massa (J) supridos pelo segundo bloco de computação 20 podem ser determinados de forma expe- 5 rimental pelos testes conduzidos diretamente na máquina de lavar 1, e po- dem então ser memorizados no segundo bloco de computação 20.
O terceiro bloco de computação 21, por outro lado, pode deter- minar a aceleração angular a(t) do tambor 8 como uma função da velocida- de de rotação co(t) medida diretamente no eixo de saída da unidade de acio- 10 namento elétrico 12 por um sensor de velocidade 22 definido, por exemplo, por um dínamo de velocímetro montado de forma coaxial com o eixo de saí- da.
A unidade de processamento 18 também compreende um quarto bloco de computação 23, que recebe o torque de acionamento de motor 15 Tm(t), o momento de inércia da massa J, e aceleração angular a(t) a partir dos primeiro, segundo e terceiro blocos de computação respectivamente, e determina, por meio de uma função de desequilíbrio A(t) e com base nas quantidades acima, uma condição de desequilíbrio crítico, mediante a qual, a unidade de controle 16 ativa uma redução na velocidade de rotação co(t) do 20 tambor 8.
Mais especificamente, o quarto bloco de computação 23 imple- menta a função de desequilíbrio A(t)=Tm(t)-J*a(t), o padrão de tempo da qual é relacionado com o movimento vertical h(t) do conjunto de lavagem 5. É importante se destacar que a relação entre a função de desequilíbrio 25 A(t)=Tm(t)-J*a(t) e o movimento vertical h(t) do conjunto de lavagem 5 é ba- seada nas seguintes considerações.
Nas condições estáveis, isto é, quando o tambor 8 roda em uma velocidade média constante, o comportamento do conjunto de lavagem 5 é periódico e, dessa forma, a função de desequilíbrio A(t) é periódica também. Pode-se aproximar a função de desequilíbrio A(t) considerando-
se apenas seu termo constante e suas primeiras harmônicas: dessa forma se negligencia as segundas harmônicas mais altas, mas sua contribuição não é importante. Dessa forma pode-se escrever:
a) A(t) = Aq + A\ · cos(ô; · t)
Introduzindo-se agora essa função de desequilíbrio estimada A(t) na equa- ção de potência conhecida a seguir da máquina de lavar:
b) ~ J'a ~ Tfrictions + M ■ g ■ —jj · —
se tem:
dh 1
q ) + -^l ' cos(co ■ t) = T^riC[i0ns + M · g ■ — —
onde TfriCtions é um torque de fricção, M é a massa total do conjunto de lava- gem 5 e a carga relativa, g é a aceleração da gravidade, e h é a coordenada vertical da massa central B do conjunto de lavagem 5 e da carga.
Agora, nas condições estáveis tem-se uma dissipação de ener- gia constante (medida em uma revolução do tambor 8) de forma que pode- se dizer que TfriCtions é constante.
Ademais, a posição vertical h(t) do centro da massa B também é uma função periódica e, como foi feito com relação à função de desequilíbrio A(t), pode-se aproximar a mesma com seu termo constante e suas primeiras
harmônicas. Em outras palavras, pode-se escrever:
h(t) = Zj0 + hx · cos(íy · t + φ)
Diferenciando-se agora com relação ao tempo t, obtém-se:
—~ = ω·Ηι·οο5(ω·ί + φ + π/2)
Introduzindo-se agora a expressão e) na equação de potência b), se obtém: f J Aq + A\ ■ COS(<y ·t) = Tfrictions + M · g · CO ■ h\ · cos(<y -t + φ + π/ 2) · —
de onde se observa que é
= TfrjCíj0ríy φ = 7i /2 — M · g· /ij
A partir da última dessas fórmulas se descobre que:
A1 s-4- Mg
É importante se destacar que a amplitude das primeiras harmô- nicas do movimento vertical hi do centro da massa B é proporcional à ampli- tude Ai das primeiras harmônicas da função de desequilíbrio A(t). Isso significa que amostrando-se ambos o torque Tm e a veloci- dade co, é possível se computar pelo quarto bloco de computação 23 a fun- ção de desequilíbrio A(t) de forma contínua durante a rotação e a amplitude Ai do tempo de funcionamento de suas primeiras harmônicas para a deter- 5 minação da amplitude h-ι do movimento vertical do centro da massa B.
A figura 2 ilustra um gráfico da função de desequilíbrio A(t) de- terminada pelo quarto bloco de computação 23 e relacionado com o movi- mento vertical h(t) do centro da massa B do conjunto de lavagem 5.
Mais especificamente, a função de desequilíbrio A(t) ilustrada na 10 figura 2 compreende um componente contínuo que corresponde a um termo constante A0, e um componente substancialmente ondulado que correspon- de à primeira harmônica A^t) cuja amplitude é proporcional ao componente de oscilação vertical h1(t)=h1cos(®t) do centro da massa B do conjunto de lavagem 5.
O quarto bloco 23 determina o valor máximo de amplitude do
componente A-i(t), isto é, o valor de pico a pico AM da função de desequilí- brio Ai(t), dentro de cada intervalo de tempo predeterminado T correspon- dente, por exemplo, a um período no padrão ondulado da função de dese- quilíbrio A(t), e calcula, como uma função do valor máximo A-i(t), um valor 20 indicando a amplitude máxima hi(t)=H da oscilação vertical do centro da massa B dentro do intervalo T.
O quarto bloco 23 também determina uma relação predetermi- nada entre a amplitude máxima H do movimento vertical do centro da massa B e um limite predeterminado SA associado com uma condição de desequi- líbrio crítica do conjunto de lavagem 5.
O limite predeterminado SA pode ser determinado e memorizado pelos testes realizados de antemão na máquina de lavar 1, e pode ser corre- lacionado com um valor de oscilação h-i(t) do centro de massa B resultando, quando excedido, em uma condição de desequilíbrio crítico do conjunto de lavagem 5.
Mais especificamente, a relação predeterminada determinada pelo bloco de computação 23 pode ser satisfeita quando a amplitude máxi- ma H determinada excede o limite predeterminado SA.
Quando a amplitude máxima H excede o limite predeterminado SA1 o quarto bloco de computação 23 determina uma condição de desequilí- brio crítica do conjunto de lavagem 5, e, de acordo, informa à unidade de 5 controle 16, que reduz a velocidade de rotação co(t) da unidade de aciona- mento 12 para eliminar a condição de desequilíbrio crítica.
No exemplo ilustrado, a unidade de controle 16 pode reduzir a velocidade de rotação co(t) da unidade de acionamento elétrico 12 por um valor predeterminado, ou pode comandar a redução da velocidade de rota- ção co(t) como uma função da oscilação máxima H determinada.
O sistema de controle 15 como descrito acima é extremamente vantajoso, pela determinação das condições de desequilíbrio críticas do con- junto de lavagem 5 simplesmente e economicamente, e pela intervenção para reduzir a velocidade de rotação co(t) quando o grau de desequilíbrio ex- cede um limite crítico predeterminado.
De forma clara, as mudanças podem ser realizadas na máquina de lavar e no sistema como descrito e ilustrado aqui sem, no entanto, se dis- tanciar do escopo da presente invenção como definido nas reivindicações em anexo.

Claims (8)

1. Sistema de controle (15) para controlar o desequilíbrio do con- junto de lavagem (5) em uma máquina de lavar de eixo geométrico de rota- ção vertical (1) compreendendo um envoltório externo (2); e um conjunto de lavagem (5) alojado dentro do envoltório (2) e compreendendo um tambor de lavagem (8) girando em torno de um eixo geométrico de rotação (R) de for- ma substancialmente paralela a um eixo geométrico de referência vertical (V), e uma unidade de acionamento elétrico (12) para girar o dito tambor de lavagem (8) em torno do eixo geométrico relativo de rotação (R); o dito sistema de controle (15) sendo caracterizado pelo fato de o dito conjunto de lavagem (5) ser estruturado de modo que o tambor de la- vagem (8) e a carga dentro do tambor de lavagem (8) girarem em torno do eixo geométrico de rotação (R)1 o movimento do centro de massa (B) do conjunto de lavagem (5) possuindo um componente oscilante vertical em uma primeira direção substancialmente paralelo ao dito eixo geométrico de referência vertical (V); e compreendendo: - primeiros meios de computação (19, 20, 21) para determinar um número de quantidades de operação (Tm(t), J, a(t)) associadas à rota- ção do dito tambor de lavagem (8), e para determinar, como uma função das ditas quantidades, o padrão de tempo da amplitude (h(t)) das oscilações ver- ticais do dito centro de massa (B) do dito conjunto de lavagem (5) em uma primeira direção substancialmente paralela ao dito eixo geométrico de refe- rência vertical (V); - segundos meios de computação (23) para determinar a ampli- tude máxima (H) da dita oscilação vertical do conjunto de lavagem (5) na dita primeira direção dentro de um intervalo de tempo determinado (T); os ditos segundos meios de computação (23) determinando se a amplitude máxima (H) da oscilação vertical satisfaz uma relação predeterminada com um limite predeterminado (SA), e determinando uma condição de desequilíbrio crítico do conjunto de lavagem (5) quando a dita relação predeterminada é satisfei- ta.
2. Sistema (15), de acordo com a reivindicação 1, em que o dito conjunto de lavagem (5) é estruturado de forma que seu centro de massa (B), com ou sem carga dentro do tambor de lavagem (8) está localizado a uma distância predeterminada (DB, Dm) do dito eixo geométrico de rotação (R) do dito tambor de lavagem (8).
3. Sistema (15), de acordo com a reivindicação 1 ou reivindica- ção 2, em que, o dito conjunto de lavagem (5) é estruturado de modo que o dito eixo geométrico de rotação (R) seja inclinado, mas não perpendicular, com relação ao dito eixo geométrico de referência vertical (V).
4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que o dito primeiro meio de computação (19, 20, 21) determina o pa- drão de tempo da amplitude (h(t)) da oscilação vertical do centro da massa (B) do dito conjunto de lavagem (5) na dita primeira direção com base na função de desequilíbrio a seguir: A(t)=Tm(t)-J*a(t) onde Tm(t) é o torque de acionamento impresso à unidade de acionamento elétrico (12) ao dito tambor de lavagem (8); J é o momento de inércia de massa do tambor de lavagem (8) e a carga dentro do mesmo; e a(t) é a ace- leração angular a(t) impressa ao tambor de lavagem (8).
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, em que o dito con- junto de lavagem (5) compreende uma câmara de lavagem (7) alojando o dito tambor de lavagem (8); a dita unidade de acionamento elétrico (12) sen- do fixada à parede inferior da câmara de lavagem (7) a uma distância prede- terminada (D) do eixo geométrico de rotação (R) do tambor de lavagem (8), de forma que o centro da massa (B) do conjunto de lavagem (5) não seja alinhado com o eixo de geométrico de rotação (R).
6. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que o dito conjunto de lavagem (5) possui uma parte adicional de um peso determinado e fixada a uma distância predeterminada do eixo geomé- trico de rotação (R), de forma que o centro de massa (B) do conjunto de la- vagem (5) não seja alinhado com, e seja localizado a uma distância (Db) do eixo geométrico de rotação (R).
7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, e compreendendo meios de controle (16) que, mediante uma condição de desequilíbrio crítico, comanda uma redução na velocidade de rotação do eixo de saída da dita unidade de acionamento elétrico (12).
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, em que, mediante a ocorrência da condição de desequilíbrio crítico, o dito meio de controle (16) comandando uma redução na velocidade de rotação do eixo de saída da dita unidade de acionamento elétrico (12) como uma função da amplitude máxi- ma (H) da dita oscilação vertical do conjunto de lavagem (5) determinada pelo dito segundo meio de computação (23).
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