BR102017003115B1 - Acionador para válvula de porta-bico de pulverização - Google Patents

Abstract

ACIONADOR E MÉTODO PARA VÁLVULA DE PORTA-BICO DE PULVERIZAÇÃO, constituída de caixa para acomodação do conjunto elétrico/eletrônico (14), com sua respectiva tampa (6); corpo do solenoide (7); mola (8); bobina (9); bucha (10); tampa do solenoide (11); êmbolo do solenoide (12); eixo da válvula (13); vedação da válvula (15); corpo da válvula (17); complemento do eixo (18); tampão (19) e grampo (16) de fixação da caixa (14) com o corpo (17); sendo que a relação de diâmetros entre o eixo (13), vedação (15) e o complemento (18), possibilitam a redução nas forças necessárias para a abertura e fechamento da válvula (2).

Description

[001] Refere-se o presente relatório a uma patente de invenção sobre um equipamento agrícola, especificamente um acionador para válvula controladora de vazão para porta-bicos de pulverização, visando menor consumo de energia para tal acionamento. Visa também à redução de custo e peso total do conjunto, devido a utilizar componentes de menor tamanho e custo, comparado a sistemas convencionais.

[002] Como é de conhecimento dos técnicos do assunto, a dita pulverização de produtos químicos em uma cultura agrícola, ou seja, a aplicação de compostos, tais como inseticidas, fungicidas, fertilizantes e outros, com o objetivo de aumentar a produtividade da lavoura, exige cuidados especiais devido ao grande risco de contaminação do meio ambiente, causado pelo excesso de aplicações ou mesmo a dispersão desses produtos no ambiente, sem atingirem o seu alvo principal, o qual seria a própria cultura. Para minimizar esses riscos, existem várias soluções técnicas, visando à aplicação na quantidade e no local correto, tal como a que será descrita neste pedido de patente de invenção.

[003] Uma das soluções para o problema relatado acima, seria a inserção de um sistema de válvula acoplado a cada um dos porta-bicos de pulverização. Tal válvula, comandada por um determinado sistema de controle, faria a abertura e fechamento de cada um dos porta-bicos no local e no momento oportuno, individualmente.

[004] O acionamento individual de cada um dos porta-bicos instalados em uma barra de pulverização, traz dois problemas inerentes, que seriam o aumento de peso do conjunto e a necessidade de um sistema de acionamento, que pode ser elétrico, pneumático, mecânico ou outro qualquer, acompanhados de seus necessários sistemas auxiliares para o acionamento das válvulas (cabos mecânicos ou elétricos, tubulações, etc.).

[005] Torna-se, então, imprescindível buscar soluções para resolver, ou mesmo, minimizar esses problemas, sempre tendo em mente que a grande maioria dessas soluções apresenta características tecnicamente dependentes, por exemplo, componentes mais leves são habitualmente menos robustos e com capacidade de transmissão de potência limitada, portanto, entende-se que existe uma restrição natural para cada sistema de acionamento, de acordo com a técnica conhecida atualmente. As válvulas hidráulicas, atualmente disponíveis no estado da técnica atual, demandam considerável consumo de potência para serem acionadas, possuindo ainda grande robustez mecânica e peso elevado, relativamente à aplicação.

[006] Pelos motivos apresentados aqui, busca-se, dentro dos princípios físicos conhecidos, a otimização de todo e qualquer sistema, sempre visando a melhor eficiência, com menor peso e custo operacional. Citando-se aqui soluções com acionamento elétrico, podemos listar bobinas de alto rendimento ou, em outro caso, o uso de sistemas hidráulicos pilotados. No primeiro caso, o peso é grande fator limitante e, no segundo, um sistema pilotado, por definição, apresenta tempo de resposta maior que um sistema por acionamento direto. Um dos exemplos de soluções, conforme descrito aqui, é o relatado no documento de patente PI 9300408-7, de autoria deste requerente, onde basicamente o controle de vazão é por meio de um sistema pilotado. Outro sistema, também pilotado, é o descrito no documento de patente PI 1001557-4, também deste requerente, de um sistema específico para aplicação em porta- bicos, cujo acionamento é elétrico. Outro documento que também cita um sistema de válvula solenoide é o de no. PI 9608934-2, um sistema direcionado a conjuntos de freio automotivo, controlados por sistema gerenciador de frenagem, conhecido comercialmente como ABS (sigla alemã para AntiblockierBremsSystem, ou na forma inglesa, Antilock Braking System). Também é um sistema pilotado, com grande complexidade na sua forma construtiva.

[007] É objetivo da presente invenção, prover uma solução construtiva para atender satisfatoriamente as condições descritas acima, visando um sistema de acionamento de válvulas para equipamento de pulverização, com mínimo tempo de resposta, com baixo consumo de energia de acionamento e baixo peso do conjunto, somado ao fato da grande simplicidade mecânica do conjunto proposto.

[008] É outro objetivo da presente invenção, uma solução construtiva para um sistema de acionamento de válvulas para equipamento de pulverização, compatível com sistemas de gerenciamento de pulverização, os quais são comandados por dados de várias fontes, tais como sistemas de gerenciamento de posição global, ou sistemas de tratamento de imagens para identificação dos locais necessários de tratamento fitoterápico, entre outros.

[009] Buscando facilitar o entendimento da solução proposta para esta patente, detalhes da presente invenção serão descritos, pormenorizadamente, com referência aos desenhos anexos, nos quais:

[010] A figura 1 representa uma vista em perspectiva geral do porta-bico com a válvula acoplada, montados em um tubo do ramal de pulverização.

[011] A figura 2 representa uma vista em perspectiva geral da mesma montagem anterior, girada 180° em relação ao eixo vertical.

[012] A figura 3 mostra uma vista em perspectiva explodida do conjunto de porta-bico e a válvula.

[013] A figura 4 representa uma vista em perspectiva explodida da válvula acionadora.

[014] A figura 5 mostra uma vista em corte da válvula acionadora, na posição fechada.

[015] A figura 6 apresenta a mesma vista em corte anterior, da válvula na posição aberta.

[016] A figura 7 mostra uma vista esquemática da válvula 2, na condição fechada.

[017] A figura 8 mostra uma vista esquemática da válvula 2, na condição aberta.

[018] A figura 9 apresenta uma vista em perspectiva geral da válvula 2, em uma variante construtiva, utilizando atuador linear (motor de passo) no lugar do solenoide.

[019] A figura 10 mostra uma vista em perspectiva explodida da válvula 2, na mesma variante construtiva da figura anterior, destacando os seus componentes principais.

[020] Resumindo, uma descrição do processo como um todo é o seguinte: a válvula 2 é composta, conforme figura 4, de uma caixa 14 para acomodação do conjunto elétrico/eletrônico, com sua respectiva tampa 6. Temos também a placa eletrônica 20, o corpo do solenoide 7, mola 8, bobina 9, bucha 10, tampa do solenoide 11, êmbolo do solenoide 12, eixo da válvula 13, vedação da válvula 15, corpo da válvula 17, complemento do eixo 18, tampão 19 e grampo 16 de fixação da caixa 14 com o corpo 17.

[021] Uma montagem típica da válvula 2 em um porta-bico 3 é a mostrada nas figuras 1 e 2, onde temos também o tubo 1 do ramal de pulverização e, também como exemplo de aplicação, o porta-bico 3, sendo que este, mostrado na figura, comporta até quatro pontas de pulverização 4, normalmente distintas entre si e selecionadas individualmente, ao se girar manualmente a cruzeta do porta-bico 3. Como o porta-bico 3, aqui apresentado, é originado de uma solução bastante difundida no estado da técnica atual e não faz parte do escopo deste particular pedido de patente de invenção, não serão fornecidos maiores detalhes da sua forma construtiva, ou modo de utilização.

[022] Tomando por base a figura 5, tem-se que o corpo da válvula 17 apresenta condutos de entrada e saída do fluido, onde a entrada do fluido se dá pelo seu conduto interligado com o tubo 1 (lado direito da figura) e a saída para alimentação do porta-bico 3 e correspondentes pontas de pulverização 4, é por um conduto perpendicular ao plano de corte da figura, pode-se entender que esse conduto está interligado à cavidade existente abaixo da vedação 15. Numa condição inicial, conforme a figura, a vedação 15 impede que o fluido circule entre os condutos de entrada e saída do corpo 17, em consequência da bobina 9 estar desligada. Nessa condição, a mola 8, atuando sobre o eixo 13 e, em consequência, sobre o seu complemento 18, na posição mostrada, bloqueia a válvula, por ação da vedação 15, pressionada sobre o seu assento.

[023] Tomando por base a figura 6, nessa condição, a bobina 9 está energizada, comandada por um sistema elétrico/eletrônico da placa 20, que pode ser por meio manual ou automático, fazendo com que o êmbolo 12 se desloque, referenciado à figura, para cima (em consequência do campo magnético formado na bobina 9). Por estar ligado mecanicamente ao êmbolo 12, o eixo 13 também é deslocado para cima com a vedação 15, liberando a passagem do fluido de pulverização pelo conduto de saída existente no corpo 17, para o porta-bico 3 e para as pontas de pulverização 4.

[024] O descritivo do funcionamento da válvula 2, até este ponto, não menciona nenhuma atividade inventiva, visto que todas as soluções apresentadas são bem conhecidas no estado da técnica atual e são aplicadas em numerosas soluções de válvulas eletro-hidráulicas existentes no mercado. O ponto a ser destacado, objeto desta patente, é basicamente em relação à geometria do eixo 13 de acionamento da válvula 2, e do complemento do eixo 18, onde podemos observar que, em relação ao eixo 13, quanto maior o diâmetro deste na parte superior, acima da vedação 15, pelo resultado do equilíbrio de pressões e das relações de áreas, acima e abaixo da vedação 15, menor é a força necessária para abrir a válvula 2, ou seja, menor a força para movimentar o eixo 13, abrindo uma passagem para o fluido, anteriormente bloqueado pela vedação 15. No outro modo de operação da válvula 2, para minimizar a força de fechamento, estando a válvula 2 aberta, ou seja, para deslocar o eixo 13, até que a vedação 15 bloqueie completamente a passagem do fluido, temos, para isso, a parcela de contribuição da força resultante no complemento do eixo 18, porque também neste caso, quanto maior o diâmetro do complemento 18 e menor for o diâmetro do eixo 13 na região abaixo da vedação 15, menor a força necessária no solenoide de acionamento da válvula 2.

[025] Resumidamente, para a redução das forças necessárias para abertura e fechamento da válvula 2, interferem diretamente no resultado, o eixo 13, caixa 14, vedação 15, corpo 17 e complemento de eixo 18. O balanço das forças envolvidas, decorrente da relação de diâmetros (e, consequentemente, relação de áreas) das peças 13, 15 e 18, somado ao fato que as extremidades opostas das peças 13 e 18 são submetidas somente à pressão ambiente, praticamente a do ar atmosférico, não estando sujeitas à pressão do fluido de pulverização, devido às vedações existentes nas peças 13, 14 e 17, tem como resultado a redução na força magnética necessária na bobina 9 para acionamento da válvula 2, consequentemente, com possibilidade de redução do seu tamanho, peso e consumo de energia.

[026] Para melhor compreensão dos princípios físicos envolvidos, observando a figura 7, temos a câmara de entrada, submetida a uma pressão P1. Essa pressão P1, atuando sobre a resultante da área A4, menos a área A1, resulta na força de fechamento da válvula, considerando que a pressão P2 neste momento é zero (atmosférica) e a pressão atuante sobre as áreas A1 e A3, também é a atmosférica. Fazendo o balanço das forças envolvidas, temos que a equação da força para abrir a válvula 2 é: Fabrir = Patm (A1 — A4) + P1 (A4 — A1)

[027] Daí conclui-se que quanto mais o valor da área A1 se aproxima do valor da área A4, menor a força de abertura da válvula 2.

[028] Agora, baseando-se na figura 8, com a válvula 2 aberta, a pressão P1 é igual à pressão P2, resultando na equação: Ffechar = Patm (A3 — A1) + P1 (A1 — A3)

[029] De modo similar, conclui-se que quanto mais o valor da área A1 se aproxima do valor da área A3, menor a força necessária para fechamento da válvula 2.

[030] Observação: as áreas A1, A2, A3, A4 e A5 são todas áreas das seções transversais, ortogonais ao eixo de simetria das figuras 7 e/ou 8.

[031] O sistema proposto torna possível a redução do peso de um conjunto de pulverização de uma máquina agrícola portadora de um sistema de controle individual dos bicos de pulverização, comparado com os sistemas atuais disponíveis atualmente, onde o peso adicional desse sistema de controle exige máquinas mais robustas, consequentemente com maior peso e maior consumo global de energia.

[032] Outro recurso da válvula 2, em consequência da sua forma construtiva, é que, por exemplo, no caso de uma falha de alimentação na bobina 9, ou em qualquer evento similar, existe a possibilidade de abrir a válvula 2 manualmente, empurrando-se a extremidade exposta do complemento de eixo 18 para cima, liberando o fluxo entre a tubulação do ramal e as pontas de pulverização. Em equipamentos agrícolas, sempre que possível, deve-se disponibilizar ao usuário recursos alternativos ou sistemas redundantes, para que o trabalho não seja interrompido por falha parcial de algum componente da máquina, porque nem sempre é possível o reparo imediato do equipamento, muitas vezes, devido até a fatores externos, tais como, por exemplo, a dificuldade de acesso dos assistentes técnicos à propriedade agrícola. Neste caso, mesmo trabalhando fora do ideal, é uma condição preferível, que interromper completamente o trabalho devido à falha de um bico de pulverização, consequentemente, os prejuízos para a cultura serão maiores devido a essa interrupção, caso não se possa executar o tratamento fitoterápico a tempo, por exemplo, em uma infestação de insetos.

[033] Conforme mostrado nas figuras 9 e 10, com pequenas alterações na configuração básica, temos uma variante construtiva para a válvula 2, onde o acionamento desta válvula 2 se dá por meio de um atuador elétrico 2A, um motor de passo, no lugar de um sistema acionado por solenoide. Os componentes principais da válvula 2, nessa variante construtiva são: o próprio atuador elétrico 2A, o eixo da válvula 13A, que neste caso substitui o eixo da válvula 13 mais o complemento 18, resultando em uma peça única 13A. Temos também uma extensão 2B, para adaptação do atuador linear à válvula 2, a mola 8A e o tampão 19A.

[034] Em relação ao funcionamento em si, diferentemente da válvula 2 na sua primeira concepção, temos, neste caso, que o atuador elétrico 2A apenas comprime o eixo da válvula 13A, no sentido de fechamento da válvula 2, pressionando a vedação da válvula 15, contra a sua sede no corpo 17. A operação de abertura da válvula 2 se dá pelo recuo da haste do atuador elétrico 2A e pela atuação da mola 8A, liberando deste modo o fluxo da válvula 2. Portanto, neste caso, não se trata de um mecanismo desmodrômico, tal como é a válvula 2 na primeira concepção descrita neste relatório, atuada por meio de solenoide.

[035] Por conveniências construtivas, optou-se por um sistema de atuação de duas vias (abertura e fechamento) sobre o eixo da válvula 13, quando utilizando solenoide, enquanto que para o acionamento por atuador linear, optou-se por uma solução de uma via (somente fechamento), com retorno por mola, sobre o eixo da válvula 13A. Pode-se entender que é viável utilizar a solução de uma ou duas vias, com qualquer dos tipos de acionamento, solenoide ou atuador linear, sem alterar significativamente o desempenho ou características de funcionamento da válvula 2.

[036] Ainda sobre o motor 2A, pelo fato deste atuar em compressão sobre a extremidade da peça, eixo da válvula 13A, sem estar rigidamente ligado a esta, pode ocorrer um pequeno atraso no acionamento da válvula 2, no sentido da abertura, caso as peças não estejam em contato direto, no caso onde haja um espaço vazio entre as extremidades do motor 2A e peça 13A, decorrente de um acionamento de fechamento anterior, onde a extremidade do motor 2A recua e se afasta da extremidade da peça 13A, resultando no espaço vazio mencionado anteriormente. Para solucionar esse problema, pode-se utilizar um artifício de acionamento, o qual será descrito a seguir: quando a haste do motor 2A recua para fechar a válvula 2, esta desloca- se mais do que o necessário, para garantir que a válvula 2 feche. Nessa condição, a extremidade da haste do motor 2A ficará afastada da extremidade da peça 13A. Para garantir um tempo de resposta mínimo para a abertura da válvula, em um próximo acionamento, logo após o recuo do motor 2A, induz- se um valor de tensão elétrica mínimo ao motor 2A, no sentido de extensão da haste, de forma que a extremidade desta entre em contato com a extremidade da peça 13A, sem, contudo, abrir a válvula 2, ou seja, uma tensão elétrica apenas suficiente para deslocar a haste do motor 2A, de forma que esta toque levemente, com força “zero”, sobre a extremidade da peça 13A. Dessa forma, o tempo necessário para o próximo acionamento da válvula 2, no sentido de abertura, será mínimo, pela eliminação da folga eventualmente existente entre as peças 2A e 13A.

[037] Outro recurso que pode ser aplicado, devido ao fato de se utilizar um motor 2A, de passo, é de se poder otimizar o tempo de resposta da válvula 2, quando se utiliza pontas de pulverização (bicos) de baixa vazão, na máquina pulverizadora. Dessa forma pode-se controlar, através de um sistema eletroeletrônico com software adequado, a posição de abertura do eixo da válvula 13A, liberando uma área de passagem de fluido suficiente para uma ponta de pulverização de baixa vazão, isto é, não é necessária a abertura plena da válvula 2, para um resultado satisfatório, ou seja, a área remanescente formada entre a vedação da válvula 15 e a sua sede no corpo 17 é suficiente para atender aos requisitos de vazão e pressão de uma ponta de pulverização específica, classificada como de baixa vazão. Resumindo, os tempos de acionamento do motor de passo 2A, abrindo ou fechando a válvula 2, podem ser menores valendo-se deste artifício, pelo fato que o curso útil do motor de passo 2A será menor, comparado com o curso para abertura e fechamento plenos da válvula 2; ou seja, como o motor 2A, ou qualquer tipo de motor, apresenta velocidade máxima inerentemente limitada pela sua forma construtiva, não sendo possível aumentar a sua velocidade indefinidamente, reduz-se o seu curso útil, para que se possa reduzir o tempo de acionamento da válvula 2, assim melhorando (reduzindo) o tempo de resposta. A busca por um menor tempo de resposta tem por meta uma melhora na qualidade de aplicação dos insumos em uma determinada cultura, pela busca da aplicação exata em cada ponto. Uma válvula 2 com abertura lenta vai resultar em uma subdosagem no início da aplicação e uma superdosagem ou desperdício de insumos ao final dessa mesma aplicação, pelo fato da válvula 2 demandar um tempo significativo para atingir a abertura plena ou seu fechamento pleno, respectivamente, no caso em que se adote o procedimento de acionar a válvula 2 exatamente no ponto de início ou ao final da área cultivada. Alguns operadores de máquina pulverizadora preferem acionar a válvula 2 em movimento de abertura, um pouco antes de ingressar na área cultivada, e fechá- la um pouco após a saída da cultura, para garantir a dosagem adequada em toda a área, pois, nesse caso, a válvula 2 estará completamente aberta, dosando o produto corretamente sobre a cultura, mas, em contrapartida, gerará desperdício de insumos, tanto no início quanto ao final da área cultivada, por estar depositando os agroquímicos fora dessa área. Sendo assim, quanto menor o tempo de resposta da válvula 2, melhor a qualidade de aplicação dos insumos na cultura agrícola.

[038] Apesar de terem sido descritas soluções particulares, pode-se considerar outras soluções que mantenham os mesmos princípios básicos de funcionamento, sem se desviar dos seus objetivos principais de eficiência, robustez e redução do peso total e do consumo de energia do conjunto da máquina pulverizadora. Portanto, as características e métodos de trabalho especificamente descritos aqui não devem ser entendidos como fatores limitantes para este pedido de patente.

Claims (4)

1. “ACIONADOR PARA VÁLVULA DE PORTA- BICO DE PULVERIZAÇÃO”, composto, numa forma construtiva preferencial, mas não exclusiva, de válvula (2), alimentada por tubo do ramal (1), montada em um porta-bico (3), com caixa para acomodação do conjunto elétrico/eletrônico (14), com sua respectiva tampa (6); placa eletrônica (20); corpo do solenoide (7); mola (8); bobina (9); bucha (10); tampa do solenoide (11); êmbolo do solenoide (12); eixo da válvula (13); vedação da válvula (15); corpo da válvula (17); complemento do eixo (18); tampão (19) e grampo (16) de fixação da caixa (14) com o corpo (17); caracterizado por ser válvula (2) acionada, via comando elétrico/eletrônico, por campo magnético gerado pela bobina (9), a qual aciona o êmbolo do solenoide (12), consequentemente liberando ou bloqueando a passagem do fluido de pulverização através da vedação da válvula (15); pelo fato do eixo (13) e o complemento de eixo (18), quando montados em conjunto único, apresentarem forma construtiva escalonada, com diâmetros distintos, menor na sua partição aproximadamente central, abaixo do ponto de fixação da vedação (15), a qual corresponde à região do conduto de saída do fluido de pulverização, e maior nas extremidades, ou seja, acima da vedação (15) e também na extremidade inferior do complemento do eixo (18); somado ao fato de também apresentar, como principal e fundamental característica, que a extremidade superior do eixo (13) e a extremidade inferior do complemento (18), devido à forma construtiva, são expostas somente à pressão atmosférica, ou muito próximo desta; apresenta ainda, como recurso adicional, a possibilidade da válvula ser acionada manualmente, pressionando-se o complemento de eixo (18) para cima, liberando o fluxo de líquido na válvula (2).

2. “ACIONADOR PARA VÁLVULA DE PORTA- BICO DE PULVERIZAÇÃO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, em variante construtiva, utilizar atuador linear elétrico (2A), em substituição ao conjunto de solenoide, substituindo-se também o eixo da válvula (13), mais o complemento (18), pelo eixo da válvula (13A); adicionando-se ainda uma extensão (2B), para adaptação do atuador linear elétrico (2A) à válvula (2), mola (8A) e o tampão (19A), em substituição à mola (8) e tampão (19), respectivamente.

3. “ACIONADOR PARA VÁLVULA DE PORTA- BICO DE PULVERIZAÇÃO”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por alternativamente o atuador linear elétrico (2A), manter-se em contato direto com a extremidade do eixo da válvula (13A), após o acionamento de fechamento da válvula (2), recebendo uma tensão elétrica mínima, de forma que a haste do atuador linear elétrico (2A) se desloque, sem acionar a válvula (2), ficando esta preparada para o próximo acionamento de abertura da válvula (2), sem folga entre as peças (2A) e (13A), consequentemente, com tempo de resposta mínimo.

4. “ACIONADOR PARA VÁLVULA DE PORTA- BICO DE PULVERIZAÇÃO”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por alternativamente o atuador linear elétrico (2A), ter seu curso limitado e controlado por circuito eletroeletrônico com software adequado, para abertura e fechamento da válvula (2), de modo proporcional aos requisitos de vazão e pressão adequados ao tipo de pontas de pulverização (4) utilizadas na máquina pulverizadora.

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