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Las imágenes de arriba son secciones transversales simples de una válvula de carrete típica (izquierda) y una válvula de asiento (derecha). (Cortesía de Unicontrols Signapore)

Decidir qué válvula usar para un sistema hidráulico o neumático depende de un par de factores de diseño: el diseño interno de su circuito y la función general de sus válvulas. Las dos válvulas principales que se utilizan con mayor frecuencia son las variedades de válvula de asiento y bobina de pistón. Estas válvulas se dedican principalmente al control del aire comprimido.

«La principal diferencia entre un carrete y una válvula de asiento es la construcción», explica Daniella González-Olgren, especialista en productos de válvulas de Festo. «Debido a la forma en que se construye una válvula de asiento, no hay necesidad de lubricación, lo que simplifica sus unidades de preparación de aire. Sin embargo, las válvulas de carrete generalmente tienen flujos más altos que las válvulas de asiento dentro de la misma huella. Esto se debe a que una válvula de asiento necesita un área de asiento grande para crear una fuerza de desplazamiento lo suficientemente grande como para superar la presión.»

Ambas válvulas tienen sus ventajas y desventajas, pero el factor más importante será comprender sus condiciones de funcionamiento.

La válvula de asiento

Las válvulas de asiento tienen una construcción simple y se pueden usar con cualquier material. La válvula funciona como fluido en el puerto de entrada que pasa a través de la oficina de control y llega a la parte trasera de la válvula. La punta de la armadura con resorte cierra el orificio de salida para mantener el fluido atrapado detrás de la válvula. La válvula es una válvula de retención que detiene el flujo, en condiciones normales, de entrada a salida. El flujo en la dirección opuesta, de salida a entrada, se produce a una velocidad reducida.

La bobina de solenoide se energiza para crear un campo magnético que eleva la armadura para abrir el orificio de salida. Este orificio es más grande que el orificio de control, lo que crea un mayor flujo y una caída de presión detrás de la válvula de retención. La presión de entrada en el área anular de la válvula de asiento fuera del diámetro del asiento la expulsa para permitir que el fluido fluya a la salida de la válvula de asiento.

Cuando la bobina del solenoide se desenergiza, la fuerza del resorte vuelve a colocar la punta de la armadura, atrapando una vez más el fluido detrás de la válvula y permitiendo que se cierre. Las válvulas de asiento son generalmente preferidas en aplicaciones de clasificación, entornos industriales con posible contaminación y cualquier aplicación que necesite tiempos de conmutación rápidos.

Ventajas

A diferencia de las válvulas de carrete, las válvulas de asiento abren una ruta de flujo inmediata a la salida. Esto se traduce en un tiempo de respuesta rápido. Las válvulas de asiento solo se abren tanto como sea necesario para el flujo que pasa a través de él, viajando una distancia mínima para hacerlo, lo que aumenta su tiempo de respuesta. La gran superficie que es esencial para los poppets da como resultado un mayor caudal. Las válvulas de asiento requieren carreras de accionamiento pequeñas, lo que permite tiempos de conmutación más cortos.

El hecho de que los poppets se pueden usar con cualquier material también los hace muy baratos y fáciles de usar. Otros beneficios de las válvulas de asiento son que el sellado axial utilizado es resistente a la suciedad y no requiere lubricación. Esto los hace químicamente compatibles con el aire comprimido lubricado. Los poppets también son beneficiosos cuando se trata de longevidad, ya que un menor desgaste de los sellos internos conduce a una vida útil más larga del producto.

Desventajas

Debido a las restricciones de construcción, las válvulas de asiento no son ventajosas cuando se trata de la relación entre el espacio y el flujo. La desventaja de las válvulas de asiento es que, a medida que las válvulas de asiento cambian de una ruta de flujo a otra, el aire puede viajar libremente en cualquier dirección. Esto se conoce como «crossover.»En los modelos independientes de la presión, las válvulas de asiento ofrecen un flujo más bajo que las válvulas deslizantes.

Esto se debe a la mayor demanda estructural: en las válvulas dependientes de la presión, la presión de control depende de la presión de funcionamiento. Las válvulas están desequilibradas y la presión debe suministrarse debajo de la válvula para mantener la válvula en la posición no acoplada. Para permitir el flujo de aire, se requiere una fuerza mayor para accionar las válvulas, ya que tiene que superar el resorte y la presión de aire. También es posible que la válvula se abra debido a la contrapresión si se elimina la presión de suministro. Esto los convierte en malas opciones para mantener la presión aguas abajo.

Las válvulas de asiento también suelen funcionar de una sola manera. Por ejemplo, una válvula de asiento de dos vías, normalmente cerrada, no se puede cambiar a abierta. Los poppets no suelen recomendarse para condiciones de vacío. Por último, la construcción de la válvula no siempre está exenta de solapamientos. Dependiendo del diseño de la válvula de asiento, el cambio de posiciones puede provocar un desbordamiento entre canales. Esto puede causar fugas y ruido innecesarios.

Este gráfico desglosa las diferentes tecnologías de válvulas y los tipos de sellos disponibles para válvulas de asiento y de carrete. (Cortesía de Festo)

Válvulas de carrete de pistón

Una válvula de carrete cuenta con sellos a lo largo de su superficie. Al accionar la válvula, el carrete se desplaza, lo que hace que los sellos se desplacen por el orificio y abran los puertos para permitir el flujo de aire. Para sistemas que tienen un flujo de 100 gpm o menos, las válvulas de carrete se usan más comúnmente para dirigir el flujo. Al contar el número de puertos que el fluido puede viajar en cualquier válvula, le proporciona su número de vías.

Por ejemplo, una válvula de dos puertos también es una válvula de dos vías. La válvula de dos vías solo tendrá dos posiciones, ya que solo puede detener o permitir el flujo. Otras configuraciones de válvula de carrete son de tres vías, cuatro vías y cinco vías. Las válvulas de cinco vías son casos especiales en el hecho de que un puerto de escape no es una preocupación.

Una válvula de cuatro vías puede tener cinco puertos con sus puertos de tanque conectados internamente para eliminar un puerto adicional en el cuerpo. Esta configuración es importante para fines hidráulicos porque ayuda a reducir los puntos de fuga y las tuberías. Las válvulas de carrete son generalmente preferidas en máquinas livianas o herramientas de robot de extremo de brazo; entornos de trabajo limpios; y especialmente en instalaciones de gabinetes o cuando hay limitaciones de espacio.

Los valores de bobina pueden adoptar uno de dos tipos de sistemas de sellado: sellado duro o blando. Los sistemas de sellado duro son más duraderos. La ausencia de elementos de sellado de goma blanda en la válvula de carrete de pistón es lo que los hace más duraderos. Una válvula que utiliza este tipo de sello está lista inmediatamente para un uso dinámico completo, independientemente de si ha estado inactiva durante un largo período. Sin embargo, esto hace que los sellos duros sean más exigentes.

El desafío es que el espacio de aire que rodea el pistón móvil no puede ser mayor que unos pocos micrómetros. El manguito de metal de uso frecuente actúa como sello y guía para el carrete de la válvula. El manguito y el carrete deben estar hechos del mismo material, ya que una diferencia en los coeficientes de expansión térmica puede causar mayores fugas e incluso atascos del carrete.

Incluso una pequeña deformación en la carcasa puede dañar el manguito y afectar a la válvula de vida útil y aumentar las fugas. Si bien son robustas y duraderas, las válvulas de carrete herméticas siempre tendrán una cierta cantidad de fugas debido al espacio de aire, y su capacidad de flujo es menor en comparación con otras válvulas de dimensiones similares.

En una válvula de asiento, la presión de control depende de la presión de funcionamiento. Esto se debe al flujo de aire. En la válvula de asiento dependiente de la presión de arriba, el aire fluye a través de la válvula desde el canal 1 hasta el canal 2. Dado que el área de superficie D2 es mayor que D1, se produce un desequilibrio de fuerzas porque se ejerce la misma presión de operación en ambas superficies. Esto necesita ser compensado para mantener un equilibrio en la válvula. (Cortesía de Festo)

Las válvulas de carrete de sellado suave utilizan juntas de goma (juntas tóricas o sellos de elastómero moldeados) en el pistón. Al usar válvulas de carrete de sellado suave, evita las complicaciones de tener configuraciones de metal sobre metal. Sin embargo, las válvulas de carrete de sellado suave se desgastarán rápidamente con el tiempo cuando estén en contacto con el borde del canal o el borde de control. Es necesaria una planificación óptima para el borde de control, y se debe considerar cuidadosamente el sello de elastómero moldeado y la guía del pistón, para garantizar un paso suave con un grado mínimo de desgaste.

Los sellos se pueden montar directamente en la carcasa de la válvula. Una vez más, los huecos requeridos son difíciles de fabricar, y el efecto Bernoulli hará que los sellos se desalojen a una presión de 8 bar o superior. Esto crea un mayor desgaste en el sello.

Para resolver este problema, se pueden usar sellos moldeados en jaulas de metal, por lo tanto, manteniéndolos en los huecos. Esto se conoce como el cartucho principal. La ventaja es que la válvula no se sacará de su posición ni siquiera a altas presiones de funcionamiento. Los sellos podían mantenerse en las jaulas de metal con presiones de hasta 16 bar. Este tipo de configuración tendrá una larga vida útil de la válvula, y el sello se puede usar en operaciones de vacío.

Ventajas

La principal ventaja de las válvulas de carrete es que el movimiento del carrete no se ve afectado por el fluido que ingresa a la válvula en cualquier puerto de trabajo. La presión siempre se aplica a dos áreas opuestas iguales. Como resultado, la presión no puede mover el carrete porque se cancelan. Las válvulas de carrete pueden cambiar de forma manual, eléctrica, mecánica, neumática o hidráulica con la misma fuerza, independientemente de la presión de funcionamiento dentro de la válvula.

Los solenoides de baja fuerza se pueden usar junto con válvulas de carrete, debido a su facilidad de movimiento a través de fricción mecánica y resortes ligeros. Como se mencionó anteriormente, las válvulas de carrete se pueden usar en operaciones de vacío. También se pueden emplear en presiones altas y bajas como válvulas selectoras. Además, se pueden utilizar para bloquear la presión aguas abajo.

Desventajas

El metal-a-metal diapositiva accesorios puede resultar en el líquido evitando el sello, que como se mencionó anteriormente, los resultados de la fuga. El actuador perderá posición si se aplica fuerza exterior. Esto crea ineficiencias en forma de desperdicio de energía y calor. Para ayudar a reducir el bypass, las válvulas de carrete suelen tener superposición de tierra, pero esto da como resultado un retraso antes del flujo de fluido. El retardo es pequeño, solo unos pocos milisegundos, pero puede causar un problema si los ciclos son muy rápidos y/o si hay varios cambios de válvula por ciclo.

También se produce un retardo de tiempo si el carrete vuelve al final de su carrera. La válvula de carrete se mueve más de lo necesario para el flujo requerido. Como resultado, toma más tiempo volver al centro o a la ruta de flujo opuesta. Cuando hay varias válvulas involucradas, esto ralentiza significativamente el tiempo de ciclo.

El uso de limitadores de carrera ayuda a eliminar el retraso, pero el enfoque más común es aumentar el tamaño de la bomba. A pesar de que se logra una mayor entrada de energía y un movimiento más rápido del actuador mediante la instalación de una bomba más grande, puede agregar golpes y calor al sistema. Otra desventaja de las válvulas de carrete es que el cruce abierto ocurre cuando todos los puertos están momentáneamente abiertos para fluir durante la actuación.

Cómo Elegir la válvula adecuada para el trabajo

La tabla adjunta es un auxiliar de selección de válvulas. Tanto las válvulas de carrete como las de asiento tienen ventajas y desventajas, pero la que mejor se adapte a su aplicación dependerá de sus condiciones de funcionamiento. Uno debe considerar, por ejemplo, si sus prioridades de diseño son los bajos valores de fuga y el funcionamiento a doble presión con vacío y pulso de eyector. O si le preocupan más las altas presiones de funcionamiento, es posible que se permitan algunas fugas. Una mejor comprensión de sus condiciones de funcionamiento le ayudará a elegir la válvula adecuada para el trabajo.

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