I. La función central deVálvulas solenoides
La válvula solenoide, como componente clave para la conversión electroneumática, asume la responsabilidad de convertir de manera eficiente señales eléctricas en señales neumáticas. Después de recibir la instrucción de control, la válvula solenoide puede liberar, detener O cambiar con precisión la dirección del flujo del aire comprimido, logrando así múltiples funciones, incluido el control de la dirección de acción del componente del actuador neumático, el control de cantidad del interruptor ON/OFF y el control lógico AND OR/NOT/AND. Entre los diversos tipos de válvulas de solenoide, la válvula de control direccional de control electromagnético ocupa una posición central y desempeña un papel crucial.
II. Principio de funcionamiento de la válvula de control direccional de control electromagnético
En los sistemas neumáticos, la válvula de control direccional de control electromagnético juega un papel crucial. Es responsable de controlar la apertura y cierre del canal de flujo de aire o cambiar la dirección del flujo de aire comprimido. Su principio de funcionamiento central se basa en la fuerza electromagnética generada por la bobina electromagnética. Esta fuerza hará que el núcleo de la válvula cambie, logrando así el propósito de invertir el flujo de aire. De acuerdo con las diferentes formas en que la parte de control electromagnético empuja la válvula de control direccional, las válvulas de control direccional de control electromagnético se pueden dividir en dos tipos: de acción directa-y de operación piloto-. Las válvulas de solenoide de acción directa-utilizan directamente la fuerza electromagnética para impulsar el núcleo de la válvula en dirección inversa, mientras que las válvulas de control direccional operadas por piloto-dependen de la presión del aire piloto generada por la válvula piloto electromagnética para impulsar el núcleo de la válvula y lograr la inversión.
La Figura 1 muestra una vista en sección transversal-simple de una válvula solenoide de acción directa- de 3/2 (tres-vías y dos-posiciones) (tipo normalmente abierto) y su principio de funcionamiento. Cuando se energiza la bobina, el núcleo de hierro estático generará fuerza electromagnética y esta fuerza empujará el núcleo de la válvula para que se mueva hacia arriba. A medida que el núcleo de la válvula se eleva, la junta se levanta, conectando así los puertos 1 y 2 mientras se desconectan los puertos 2 y 3. En este punto, la válvula está en el estado de admisión y puede controlar el movimiento del cilindro. Una vez que se corta la energía, el núcleo de la válvula dependerá de la fuerza de restauración del resorte para volver a su estado original, es decir, los puertos 1 y 2 se desconectan mientras que los puertos 2 y 3 están conectados. De esta manera, la válvula se encuentra en estado de escape.
La Figura 2 muestra una vista en sección transversal-simple de la válvula solenoide de acción directa- de 5/2 (cinco-vías y dos-posiciones) (tipo normalmente abierto) y su principio de funcionamiento. En el estado inicial, la entrada de aire se produce a través de los puertos 1 y 2, mientras que la salida se realiza a través de los puertos 4 y 5. Cuando se energiza la bobina, el núcleo de hierro estático genera fuerza electromagnética. Esta fuerza hará que la válvula piloto funcione y luego el aire comprimido ingresará al pistón piloto de la válvula a través de la ruta de aire, lo que hará que el pistón arranque. En el centro del pistón, la superficie circular de sellado abre el canal. En este momento, el aire entra por los puertos 1 y 4, mientras que el aire se descarga por los puertos 2 y 3. Una vez que se corta la energía, la válvula piloto dependerá de la fuerza de restauración del resorte para volver a su estado original.
A continuación, hablemos de la función de la válvula solenoide. La función de una válvula electromagnética está representada por dos números: M y N, que se denomina válvula electromagnética de posición M-trayectoria N-. Entre ellos, la "posición N" representa la posición de conmutación de la válvula de control direccional, es decir, el estado de la válvula. El número de posiciones de la válvula es el valor de N. Por ejemplo, una válvula de dos-posiciones tiene dos opciones de posición, es decir, tiene dos estados. La válvula de tres-posiciones tiene tres opciones de posiciones, es decir, hay tres estados diferentes. La "ruta M" indica el número de interfaces externas de la válvula, incluidas la entrada de aire, la salida de aire y el puerto de escape. El número de vías es el valor de M.
Tome la válvula de la Figura 1 como ejemplo. Es una válvula solenoide de acción directa-de 3/2, es decir, la válvula tiene dos posiciones, es decir, estados "encendido" y "apagado". Al mismo tiempo, tiene tres puertos de aire: 1 es la entrada de aire, 2 es la salida de aire y 3 es el puerto de escape.
Análisis de la vía aérea de la válvula solenoide.
En el extremo izquierdo del diagrama de la trayectoria del gas, el símbolo del extremo izquierdo suele representar el resorte inferior. La parte central es el cuerpo de la válvula, que contiene la información clave para determinar el tipo de válvula solenoide. Por ejemplo, los dos cuadros en la figura indican que se trata de una válvula solenoide de dos-posiciones, mientras que A/B/R/P/S representan las posiciones de los orificios del cuerpo de la válvula, es decir, la válvula de cinco-vías. Por lo tanto, esta válvula solenoide es una válvula solenoide de dos-posiciones y cinco-vías. Del mismo modo, podemos determinar el número de puntas y el número de pasos de la electroválvula por el número de orificios y el número de cajas.
Además, el diagrama de la ruta del gas también muestra las rutas de operación de la ruta del gas cuando la energía está apagada y cuando está encendida. Cuando se corta la energía, la ruta del aire ingresa por el orificio P, actúa sobre el actuador a través del orificio A, luego pasa por el orificio B y finalmente se descarga por el orificio S, mientras que el orificio R permanece cerrado. Cuando se enciende, la ruta de aire también ingresa por el orificio P, pero en este momento, el aire se descarga por el orificio B, actúa sobre el actuador y pasa por el orificio A, y finalmente se descarga por el orificio R, mientras que el orificio S está cerrado.
La parte derecha de la Figura 3 representa generalmente bobinas o válvulas piloto pequeñas, que juegan un papel importante en el funcionamiento de las válvulas solenoides. Al interpretar estos diagramas de vías respiratorias, podemos obtener una comprensión más profunda del principio de funcionamiento de la válvula solenoide y el funcionamiento de las vías respiratorias en diferentes condiciones.
La figura 4 muestra el diagrama eléctrico esquemático de la electroválvula neumática. El diagrama esquemático eléctrico es la clave para comprender el principio de funcionamiento de una válvula electromagnética. Representa claramente la bobina, los contactos y la relación de conexión con otros componentes eléctricos. Al observar el diagrama esquemático eléctrico, podemos obtener una comprensión más profunda de los cambios eléctricos de la válvula solenoide cuando se enciende y apaga, comprendiendo así mejor sus características de funcionamiento.
IV. Selección de válvulas solenoides de control simple-y válvulas solenoides de control-doble
La válvula solenoide única controlada eléctricamente, como su nombre indica, está equipada con una sola bobina. Cuando se enciende, cambiará y entrará en otro estado. Cuando se corta la energía, volverá automáticamente al estado original. Este principio de funcionamiento se muestra en la Figura 5. Por el contrario, la válvula solenoide doble electro-controlada está equipada con dos bobinas. Al controlar los estados energizados de diferentes bobinas, puede lograr múltiples interruptores y aún mantener su estado anterior después del apagado-, como se muestra en la Figura 6. Esta diferencia funcional determina directamente sus diferentes opciones en aplicaciones prácticas.
Las figuras 5 y 6 demuestran los principios de funcionamiento de las válvulas de solenoide de control simple-y de las válvulas de solenoide de control-doble. Al hacer una selección, si el tiempo de inversión de la válvula es relativamente corto, una sola válvula solenoide de control-es suficiente para manejarla. Sin embargo, si el tiempo de conmutación es largo, la bobina debe estar encendida continuamente, lo que puede provocar que la bobina se caliente debido a un encendido prolongado-e incluso que se queme. Para evitar esta situación, se puede seleccionar una válvula de control doble-. Además, si es necesario lograr la función de reinicio después de un corte de energía, es más adecuada una única válvula solenoide controlada eléctricamente. Si es necesario mantener el estado actual después de un corte de energía, una válvula solenoide de control doble-es más adecuada.
V. Diferencias y aplicaciones entre válvulas solenoides accionadas-por piloto y válvulas solenoides de acción-directa
Entre los tipos de válvulas de solenoide, dos tipos comunes son las accionadas-por piloto y las de acción-directa. Se diferencian en principios de funcionamiento y escenarios de aplicación. Las válvulas de solenoide operadas-por piloto cambian entre gas y líquido a través de orificios piloto, mientras que las válvulas de solenoide de acción-directa dependen de las diferencias de presión para controlar el movimiento del núcleo de la válvula. Esta diferencia hace que los dos tipos de electroválvulas tengan cada uno sus propias ventajas a la hora de responder a diferentes demandas industriales. Por ejemplo, en algunas situaciones que requieren una respuesta rápida y alta sensibilidad, las válvulas solenoides de acción directa-pueden ser más adecuadas. En situaciones en las que se requiere un control preciso y un menor consumo de energía, las válvulas solenoides operadas-por piloto pueden tener una ventaja.
El diseño estructural de las válvulas solenoides de acción-directa es relativamente simple. Su principio de funcionamiento se basa principalmente en la fuerza electromagnética para impulsar directamente la acción del núcleo de la válvula. Sin embargo, este diseño también tiene dos deficiencias importantes. En primer lugar, debido a la gran demanda de fuerza electromagnética, el volumen de la bobina del electroimán aumenta en consecuencia, lo que a su vez conduce a un mayor consumo de energía. En segundo lugar, las válvulas solenoides-de acción directa son relativamente sensibles a la presión. Cuando la presión excede un cierto límite (generalmente más de 0,7 MPA), muchas válvulas solenoides de acción directa-no pueden funcionar correctamente. Esto se debe principalmente a la presión excesivamente alta que actúa sobre el núcleo de la válvula, lo que dificulta que la fuerza electromagnética impulse el funcionamiento del núcleo de la válvula. A pesar de esto, las válvulas solenoides-de acción directa también tienen sus ventajas: estructura simple, precio asequible y baja tasa de fallas.
2. La válvula solenoide operada -por piloto tiene un diseño ingenioso. Abandona el tradicional accionamiento de fuerza electromagnética y, en su lugar, utiliza la presión del aire para hacer actuar el núcleo de la válvula. Para las electroválvulas con un diámetro superior a 4 mm, suelen estar compuestas por una válvula piloto y una válvula principal. Después de encender la válvula solenoide, la válvula piloto se abrirá y controlará la apertura de la válvula principal a través de su señal de salida. Vale la pena señalar que la válvula principal es en realidad una válvula de control neumática y su funcionamiento requiere la acción coordinada de dos fuentes de aire: una es la fuente de aire de la válvula principal y la otra es la fuente de aire de la válvula piloto.
Si la fuente de aire principal suministra aire a la válvula piloto a través del paso de aire interno de la válvula solenoide, este diseño se denomina tipo piloto interno. Si la válvula piloto recibe gas de una fuente independiente de la fuente de gas principal, se denomina tipo piloto externo. En la Figura 8, el lado izquierdo muestra un ejemplo de una válvula solenoide operada por piloto externo-, mientras que el lado derecho muestra un ejemplo de una válvula solenoide operada por piloto interno-.
La comparación física entre el cable interno y el cable externo se muestra en la siguiente figura.
Estos dos tipos de válvulas solenoides, a saber, de piloto interno y de piloto externo, suelen coexistir en el mismo sistema. Normalmente, el piloto interno ya puede satisfacer las necesidades de la mayoría de ocasiones. Sin embargo, en algunas circunstancias específicas, el liderazgo externo se vuelve aún más necesario. Por ejemplo, cuando la presión de la fuente de gas de la válvula principal fluctúa y puede caer por debajo de 0,2 MPA, o cuando se encuentra en un ambiente de vacío, dado que la fuente de gas de la válvula piloto no se puede compartir con la de la válvula principal, de lo contrario, la válvula principal no podrá abrirse. En este punto, se requiere una fuente de aire independiente con una presión superior a 0,2 MPA para alimentar la válvula piloto. Además, cuando la diferencia de presión entre la entrada y la salida de aire es significativa, o cuando la presión de la vía aérea principal excede 1 MPA, es posible que el piloto interno necesite aumentar el volumen estructural cargando directamente la presión de la vía aérea en el núcleo de la válvula. El piloto externo resuelve el problema introduciendo directamente un canal de gas en el puerto piloto sin necesidad de agregar una válvula electromagnética; solo es necesario agregar un tubo de aire.
En conclusión, las válvulas solenoides-operadas por piloto tienen las ventajas de tener cabezales electromagnéticos pequeños y un bajo consumo de energía. Es estéticamente agradable y ahorra espacio de instalación. Mientras tanto, genera menos calor y tiene un notable efecto de ahorro de energía-. Más importante aún, debido a la baja generación de calor, es menos probable que la bobina se queme y puede funcionar durante mucho tiempo. Esto es particularmente importante en aplicaciones prácticas. Por ejemplo, la potencia de algunas válvulas solenoides de SMC se ha reducido a tan solo 0,1 W, lo que permite un suministro de energía continuo sin sobrecalentamiento. El rango de potencia de las válvulas solenoides-de acción directa es de 4-20W, con un tiempo de encendido-relativamente corto. Además, el encendido frecuente-presenta un riesgo de agotamiento. Por lo tanto, en situaciones donde se requiere suministro de energía durante períodos prolongados o a altas frecuencias, las válvulas solenoides operadas -por piloto se convierten en la opción preferida. De hecho, la mayoría de las válvulas solenoides comúnmente utilizadas hoy en día han adoptado un diseño operado por piloto. Entre las electroválvulas que sólo dejan pasar líquido, las de acción directa siguen representando una cierta proporción. Esto se debe principalmente al hecho de que las impurezas del fluido pueden obstruir los estrechos canales de la válvula piloto.
A continuación, profundizaremos en los tres tipos de electroválvulas de tres-posiciones y cinco-vías: media-selladas, media-ventiladas y media-presión, así como sus aplicaciones. Este tipo de válvula solenoide utiliza bobinas de control eléctrico dobles. Cuando ninguno de los dos electroimanes está energizado, el núcleo de la válvula estará en la posición media bajo el empuje equilibrado de los resortes en ambos lados. En este punto, el estado de encendido-apagado de la ruta del gas en la válvula solenoide determinará su tipo específico - sellado medio, ventilación media o presión media. Analizaremos los principios y escenarios de aplicación de estos tres tipos uno por uno.
1.Análisis del estado del sello medio: cuando ninguna de las dos bobinas está energizada, la presión en las cámaras delantera y trasera del cilindro permanecerá en el estado después de que las bobinas se desenergice-y no cambiará. Al mismo tiempo, se cierran los puertos de entrada y salida de aire. Sin embargo, mantener este estado durante mucho tiempo puede hacer que poco a poco pierda el equilibrio debido a fugas menores. El diagrama esquemático se muestra en la (Figura 10).
Debido a la compresibilidad del gas y al hecho de que los componentes neumáticos como cilindros, válvulas y juntas de tuberías de gas no pueden estar completamente libres de fugas-, el cilindro no se puede mantener estable en la posición de parada intermedia durante mucho tiempo. Este estado de equilibrio se irá perdiendo gradualmente con el tiempo, lo que dará como resultado una disminución en la precisión de posicionamiento del cilindro. Sin embargo, para aquellas condiciones de trabajo donde la precisión de posicionamiento del cilindro no es muy exigente y el tiempo de parada es relativamente corto, aún se puede considerar el uso del cilindro sellado del medio-.
2. Método de descarga media: cuando ninguna de las dos bobinas está energizada, no hay presión en las cámaras delantera y trasera del cilindro y el puerto de entrada de aire permanece cerrado al mismo tiempo. En este punto, la presión en las cámaras delantera y trasera del cilindro se descargará a través de los dos puertos de escape de la válvula solenoide. Su principio de funcionamiento se puede consultar en la Figura 11.
En comparación con la válvula sellada-del medio, el diseño del circuito de descarga-del medio puede proporcionar un tiempo de parada-medio más largo. En escenarios donde el cilindro necesita moverse verticalmente, el tiempo de parada media-es relativamente largo, pero el requisito de precisión de posicionamiento no es muy estricto, el circuito de liberación media-es una opción que vale la pena considerar.
3. Estado de presión media: cuando ninguna de las dos bobinas está energizada, la presión en las cámaras delantera y trasera del cilindro permanecerá en el estado cuando la bobina anterior está desenergizada, y se aplicará presión continua para garantizar que la presión en las cámaras delantera y trasera del cilindro sea consistente con la del extremo de admisión. En este punto, la entrada de aire está abierta mientras que el escape está cerrado. El principio de funcionamiento se muestra en la Figura 12.
Si el cilindro no está sujeto a una fuerza de carga axial externa, el pistón permanecerá en un estado equilibrado y, por lo tanto, permanecerá exactamente en cualquier posición durante la carrera. Las características de este circuito requieren que el cilindro se instale en posición horizontal. Por lo tanto, en condiciones de trabajo donde se requiere un posicionamiento de alta-precisión y no hay fuerza de carga externa axial, se recomienda utilizar una válvula de media-presión en combinación con un cilindro de doble vástago.
