O futuro dos testes é elétrico
Após sete décadas de predominância dos sistemas hidráulicos, a segunda revolução no setor de ensaios está aqui. A acionamento elétrico está substituindo os sistemas hidráulicos em laboratórios de todo o mundo, e as vantagens vão muito além do desempenho.
A STEP Lab surgiu em 2007, como pioneira dessa revolução, e desde o primeiro dia se dedicou ao estudo e ao desenvolvimento de sistemas de teste baseados em movimentos elétricos. A STEP Lab concentra-se em tecnologias capazes de substituir as antigas, baseadas em óleo, de forma eficiente e com alto desempenho. Atualmente, a linha de produtos está dividida em duas famílias principais: EA e UD.
As duas tecnologias
Série EA
Atuadores eletromecânicos, baseados em fusos de esferas de alta precisão e alta confiabilidade.
Essa tecnologia encontra sua melhor aplicação em:
- Testes dinâmicos no circuito de controle de posição e força, até 35 Hz, com aceleração de até 4 G
- Testes estáticos no circuito de controle de posição
- Ensaios estáticos no circuito de controle de força (ensaios de fluência)
Atualmente, a linha de produtos de atuadores eletromecânicos abrange uma ampla faixa de força: desde <1 kN a mais de 200 kN de força dinâmica. Esses valores permitem substituir 95% das aplicações hidráulicas mundiais em condições de teste.
Série UD
Atuadores eletrodinâmicos baseados em motores lineares de alta dinâmica.
Esta tecnologia é a melhor do mercado para as seguintes aplicações:
- Testes dinâmicos no circuito de controle de posição e força, com frequência de teste superior a 250 Hz, e aceleração>de 90 G
- Ensaios com alta taxa de deformação
- Reprodução em laboratório da aquisição de histórias temporais com alta dinâmica
A carga dinâmica (de fadiga) máxima atingida pelos atuadores eletrodinâmicos é de 100 kN. Na verdade, a tecnologia do motor linear permite superar esse valor.
Vantagens operacionais dos sistemas elétricos
O acionamento elétrico apresenta uma eficiência muito elevada graças a duas características importantes:
Acionamento direto
A energia elétrica transformada em energia mecânica é aplicada diretamente ao dispositivo em teste (DUT), especialmente em atuadores eletrodinâmicos (motores lineares). Nesses atuadores, não há transmissão mecânica: a força eletromagnética é transmitida diretamente do motor linear para a haste do atuador. Isso permite obter uma eficiência muito alta do sistema, geralmente acima de 85%.
Efeito “KERS” (Sistema de Recuperação de Energia Cinética)
No teste cíclico, durante o meio-ciclo em que a máquina precisa reduzir a energia de uma amostra, essa energia é recuperada e armazenada em capacitores, para ser reutilizada na fase seguinte. Esse efeito se torna muito mais relevante quando a velocidade e a frequência do teste são aumentadas.
Essas duas características permitem economizar de 60% a 80% do consumo total de energia em comparação com o sistema de ensaio hidráulico e, em algumas condições (frequência de ensaio = frequência natural da amostra), a economia chega a mais de 90%.
Economia de energia típica em comparação com o sistema hidráulico
Economia na frequência de teste ressonante
Eficiência do acionamento direto (motores lineares)
Onde a energia elétrica se destaca
As vantagens do acionamento elétrico abrangem precisão, dinâmica, consumo de energia, tempo de atividade, custos operacionais e impacto ambiental. A seguir, apresentamos uma análise detalhada de todas as dimensões relevantes, com dados comparativos reais, quando disponíveis.
Precisão e repetibilidade
Elétrico
- Preciso em toda a faixa de velocidade (0,1 – 4.000 mm/s)
- Controle de posição e velocidade em circuito fechado com repetibilidade de 1 µm
- Não é afetado por variações de temperatura ou histerese mecânica
Hidráulico
- É possível obter boa precisão (mas somente após um longo ajuste do PID)
- As limitações das válvulas mecânicas reduzem a precisão em velocidades extremas
- A temperatura do óleo, a compressibilidade, a histerese das válvulas e o atrito das vedações afetam a repetibilidade
Desempenho em testes dinâmicos
Em ensaios de fadiga, o que importa é o valor RMS da carga aplicada, o que significa que um atuador dinâmico pode atingir uma amplitude de pico maior do que a indicada em sua classificação estática. Em ensaios de choque ou de pico, os motores CC sem escovas podem suportar uma sobrecarga momentânea de corrente para gerar força adicional por alguns segundos. Não são necessários circuitos especiais de armazenamento de pressão hidráulica.
| Especificações | Elétrico (por exemplo, STEP Lab KUD080-L2) | Hidráulico (CONCORRENTE) |
|---|---|---|
| Curso padrão | 300 mm / 12 in | 250 mm / 10 in |
| Desempenho máximo | 41 kN @ 5.0 m/s | 33.5 kN @ 3.5 m/s (180 gpm HPU) |
| É necessário ter o HPU | Não é necessário | 525,600 unit (1,960 l) |
| Tempo de funcionamento (típico) | 95% (+876 horas/ano) | 85% |
Consumo de energia e eficiência operacional
A transição do acionamento hidráulico para o elétrico representa uma mudança de paradigma na gestão de energia e na redução de custos. Ao contrário das unidades de potência hidráulicas, que precisam funcionar continuamente a pressão máxima independentemente da demanda, os atuadores elétricos consomem energia apenas durante o movimento. Além disso, eles utilizam capacitores integrados para a recuperação de energia cinética (KERS), captando energia durante a desaceleração e realimentando-a no sistema. Uma pesquisa independente realizada pela Universidade de Ciências Aplicadas Ostfalia confirma que os sistemas elétricos podem ser até 6 vezes mais eficientes do que as configurações hidráulicas tradicionais.
Análise comparativa de custos (por 1.000 horas de operação)
| Parâmetros | Elétrico (por exemplo, STEP Lab KUD080-L2) | Hidráulico (concorrente) |
|---|---|---|
| Consumo de energia | 85 kW | 270 kW |
| Consumo de energia | 85 MWh | 270 MWh |
| Custo operacional anual* | $ 53.800 | $ 170.880 |
*Com base num custo de energia de 85 dólares/MWh.
Economia anual ao mudar para o carro elétrico
Custos de manutenção
Os sistemas hidráulicos exigem uma manutenção regular dos fluidos e das vedações. Os atuadores elétricos requerem apenas uma lubrificação periódica das guias lineares; todo o resto é dispensável.
| Item | Elétrico (anual) | Hidráulico (anual) |
|---|---|---|
| Petróleo | $0 | $2,500 |
| Filtros | $0 | $750 |
| Tubos e vedações | $0 | $3,000 |
| Refrigerador | $500 | $500 |
| Total | $500 | $6750 |
Segurança, meio ambiente e ruído
Elétrico
- Sem vazamentos de óleo, sem risco de incêndio causado pelo fluido hidráulico
- Sem vapores de óleo, compatível com salas limpas
- Sem custos de descarte de óleo usado
- Ruído do atuador: ~55 dB em repouso, ~68 dB em funcionamento
- Não é necessário usar proteção auditiva nem isolamento acústico
Hidráulico
- Os vazamentos de óleo exigem uma limpeza regular do piso
- Os vapores de petróleo poluem o ar e o meio ambiente
- Eliminação regulamentada e dispendiosa de óleo usado
- Ruído do HPU: ~72 dB (geralmente requer proteção auditiva)
- Pode ser necessária uma infraestrutura especial para o isolamento acústico
Conclusão
A mudança dos testes hidráulicos para os elétricos não é uma perspectiva futura, mas sim uma transição em andamento. A tecnologia está madura, a cobertura é ampla e o custo total de propriedade favorece cada vez mais os sistemas elétricos em termos de precisão, consumo de energia, manutenção e impacto ambiental.
Com arquiteturas totalmente elétricas, os sistemas do STEP Lab oferecem um funcionamento mais limpo, maior precisão e menor custo de ciclo de vida em comparação com as alternativas hidráulicas.
Se você está procurando uma máquina de ensaio totalmente elétrica, a STEP Lab oferece uma das soluções mais avançadas e confiáveis do mercado.
| Características | Eléctrico | Hidráulico |
|---|---|---|
| Precisão | Precisão em todas as velocidades; controle em malha fechada de posição e velocidade | Funciona bem após um longo ajuste do PID; apresenta dificuldades em velocidades muito altas ou muito baixas |
| Intervalo de força | Intervalo <1 kN – 200 kN; abrange 95% dos casos de uso | 1 kN – 2.000 kN; preferencialmente acima de 200 kN |
| Testes dinâmicos | Até mais de 250 Hz; sobrecarga de pico possível por meio do aumento da corrente do motor | Funciona, mas está limitado pela resposta da válvula mecânica |
| Consumo de energia | 60–80% a menos; recuperação de energia do KERS durante testes cíclicos | Operação contínua em potência máxima, independentemente da demanda real |
| Instalação | Plug and play (apenas conexão elétrica) | Instalação complexa; requer infraestrutura de unidade de potência hidráulica |
| Manutenção | Mínima (apenas lubrificação periódica das guias lineares) | Trocas regulares de óleo, substituição de vedações, controle de vazamentos |
| Poluição do ar e do meio ambiente | Zero (compatível com sala limpa) | Vapores de óleo, vazamentos, descarte dispendioso de óleo usado |
| Ruído de funcionamento | Normalmente abaixo de 60 dB | Alto (pode ser necessário usar proteção auditiva ou isolamento acústico) |
PERGUNTAS FREQUENTES
Os atuadores elétricos podem substituir totalmente os hidráulicos?
Qual é a diferença entre atuadores eletromecânicos e eletrodinâmicos?
Quanta energia os atuadores elétricos realmente economizam?
Normalmente, entre 60% e 80% em comparação com um sistema hidráulico equivalente. Isso é alcançado por meio de dois mecanismos: acionamento direto (sem perdas de transmissão mecânica) e um sistema de recuperação de energia cinética (KERS) que captura e armazena energia durante a fase de desaceleração dos testes cíclicos. Em condições de teste ressonantes, a economia pode ultrapassar 90%.
Os atuadores elétricos são adequados para ambientes de sala limpa?
Qual é o grau de complexidade da instalação em comparação com um sistema hidráulico?
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