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Le immagini qui sopra sono semplici sezioni trasversali di una tipica valvola a spola (a sinistra) e di una valvola a fungo (a destra). (Per gentile concessione di Unicontrols Signapore)

Decidere quale valvola utilizzare per un sistema idraulico o pneumatico dipende da un paio di fattori di progettazione: il design interno del circuito e la funzione complessiva delle valvole. Le due principali valvole utilizzate più comunemente sono le varietà a fungo e a pistone. Queste valvole sono principalmente coinvolte nel controllo dell’aria compressa.

“La principale differenza tra una bobina e una valvola a fungo è la costruzione”, spiega Daniella Gonzalez-Olgren, specialista di prodotti per valvole di Festo. “A causa del modo in cui una valvola a fungo è costruita, non c’è bisogno di lubrificazione, semplificando le vostre unità di preparazione dell’aria. Tuttavia, le valvole a spola di solito hanno flussi più elevati rispetto alle valvole a fungo all’interno dello stesso ingombro. Questo perché una valvola a fungo ha bisogno di una grande area a fungo per creare una forza di spostamento abbastanza grande per superare la pressione.”

Entrambe le valvole hanno i loro vantaggi e svantaggi, ma il fattore più importante sarà capire le condizioni operative.

Le valvole a fungo

hanno una costruzione semplice e possono essere utilizzate con qualsiasi materiale. La valvola funziona come fluido alla porta di ingresso passa attraverso l’ufficio di controllo e raggiunge la parte posteriore del fungo. La punta dell’armatura a molla chiude l’orifizio di deflusso per mantenere il fluido intrappolato dietro l’otturatore. La valvola è una valvola di ritegno che arresta il flusso, in condizioni normali, dall’ingresso all’uscita. Il flusso nella direzione opposta, dall’uscita all’ingresso, avviene ad una velocità ridotta.

La bobina del solenoide è eccitata per creare un campo magnetico che solleva l’armatura per aprire l’orifizio di deflusso. Questo orifizio è più grande dell’orifizio di controllo, che crea un flusso maggiore e una caduta di pressione dietro l’otturatore. La pressione di ingresso sull’area dell’anello del fungo al di fuori del diametro del sedile lo spoglia per far fluire il fluido all’uscita del fungo.

Quando la bobina del solenoide è diseccitata, la forza della molla reseats la punta dell’armatura-ancora una volta intrappolando il fluido dietro l’otturatore e permettendo che si chiuda. Le valvole a fungo sono in genere preferite nelle applicazioni di smistamento, negli ambienti industriali con possibile contaminazione e in tutte le applicazioni che necessitano di tempi di commutazione rapidi.

Vantaggi

A differenza delle valvole a spola, le valvole a fungo aprono un percorso di flusso immediato all’uscita. Ciò si traduce in un tempo di risposta veloce. Le valvole a fungo si aprono solo quanto è necessario per il flusso che lo attraversa, percorrendo una distanza minima per farlo, il che aumenta il tempo di risposta. L’ampia superficie che è essenziale per i poppets si traduce in una maggiore portata. Le valvole a fungo richiedono piccole corse di azionamento, che consentono tempi di commutazione più brevi.

Il fatto che i poppets possano essere utilizzati con qualsiasi materiale li rende anche molto economici e facili da usare. Altri vantaggi delle valvole a fungo sono che la tenuta assiale utilizzata è resistente allo sporco e non richiede lubrificazione. Questo li rende chimicamente compatibili con aria compressa lubrificata. Poppets sono utili anche quando si tratta di longevità, come meno usura sulle guarnizioni interne porta ad una vita più lunga del prodotto.

Svantaggi

A causa dei vincoli costruttivi, le valvole a fungo non sono vantaggiose quando si tratta della relazione tra spazio e flusso. Lo svantaggio delle valvole a fungo è che, man mano che le valvole si spostano da un percorso di flusso all’altro, l’aria è libera di viaggiare in qualsiasi direzione. Questo è noto come ” crossover.”Con i modelli indipendenti dalla pressione, le valvole a fungo offrono una portata inferiore rispetto alle valvole a scorrimento.

Ciò è dovuto alla maggiore richiesta strutturale—nelle valvole dipendenti dalla pressione, la pressione di controllo dipende dalla pressione di esercizio. Le valvole sono sbilanciate e la pressione deve essere fornita sotto l’otturatore per mantenere la valvola nella posizione non attivata. Per consentire il flusso d’aria, è necessaria una forza maggiore per azionare le valvole poiché deve superare la molla e la pressione dell’aria. È anche possibile che la valvola si apra a causa della contropressione se la pressione di alimentazione viene rimossa. Questo li rende scelte sbagliate per mantenere la pressione a valle.

Anche le valvole a fungo funzionano in genere in un modo. Ad esempio, una valvola a fungo a due vie, normalmente chiusa, non può essere cambiata per aprire. I poppets non sono raccomandati tipicamente per gli stati di vuoto. Infine, la costruzione della valvola non è sempre senza sovrapposizione. A seconda del design della valvola a fungo, la commutazione delle posizioni può portare a traboccamenti tra i canali. Ciò potrebbe causare perdite e rumore non necessari.

Questo grafico analizza le diverse tecnologie delle valvole e i tipi di guarnizioni disponibili per valvole a fungo e a bobina. (Per gentile concessione di Festo)

Valvole a spola a pistone

Una valvola a spola presenta guarnizioni lungo la sua superficie. Azionando la valvola, la bobina si sposta, facendo viaggiare le guarnizioni lungo il foro e aprendo le porte per consentire il flusso d’aria. Per i sistemi che hanno un flusso di 100 gpm o meno, le valvole a spola sono più comunemente utilizzate per dirigere il flusso. Contando il numero di porte che fluido può viaggiare in una determinata valvola fornisce il suo numero di modi.

Ad esempio, una valvola a due porte è anche una valvola a due vie. La valvola a due vie avrà solo due posizioni, poiché può solo arrestare o consentire il flusso. Altre configurazioni spool-valvola sono a tre vie, quattro vie, e cinque vie. Le valvole a cinque vie sono casi speciali nel fatto che una porta di scarico non è una preoccupazione.

Una valvola a quattro vie può avere cinque porte con le sue porte del serbatoio collegate internamente per eliminare una porta extra nel corpo. Questa configurazione è importante per scopi idraulici perché aiuta a ridurre i punti di perdita e le tubazioni. Le valvole a bobina sono in genere preferite in macchine leggere o utensili robotici di fine braccio; ambienti di lavoro puliti; e in particolare installazioni di armadi o ogni volta che ci sono vincoli di spazio.

I valori di spool possono adottare uno dei due tipi di sistemi di tenuta: tenuta dura o morbida. I sistemi di sigillatura dura sono più durevoli. L’assenza degli elementi di tenuta in gomma morbida nella valvola a spola del pistone è ciò che li rende più resistenti. Una valvola che utilizza questo tipo di tenuta è immediatamente pronta per un uso dinamico completo, indipendentemente dal fatto che sia stata inattiva per un lungo periodo. Tuttavia, questo rende i sigilli duri più esigenti.

La sfida è che il traferro che circonda il pistone in movimento non può essere più grande di pochi micrometri. Il manicotto metallico spesso utilizzato funge sia da guarnizione che da guida per la bobina della valvola. Il manicotto e la bobina devono essere fatti dello stesso materiale, poiché una differenza nei coefficienti di espansione termica può causare maggiori perdite e persino inceppamenti della bobina.

Anche una piccola deformazione nell’alloggiamento può danneggiare il manicotto e influenzare la valvola di vita e aumentare le perdite. Pur essendo robuste e resistenti, le valvole a spola a tenuta stagna avranno sempre una certa quantità di perdite dovute al traferro e la loro capacità di flusso è inferiore rispetto ad altre valvole di dimensioni simili.

In una valvola a fungo, la pressione di controllo dipende dalla pressione di esercizio. Ciò è dovuto al flusso d’aria. Nella valvola a fungo dipendente dalla pressione sopra, l’aria scorre attraverso la valvola dal canale 1 al canale 2. Poiché la superficie D2 è maggiore di D1, si verifica uno squilibrio delle forze perché la stessa pressione di esercizio viene esercitata su entrambe le superfici. Questo deve essere compensato per mantenere un equilibrio nella valvola. (Per gentile concessione di Festo)

Le valvole a rocchetto a tenuta morbida utilizzano guarnizioni in gomma (O-ring o guarnizioni in elastomero stampato) sul pistone. Utilizzando valvole a bobina a tenuta morbida, si evitano le complicazioni di avere configurazioni metallo su metallo. Tuttavia, le valvole a bobina a tenuta morbida si consumano rapidamente nel tempo a contatto con il bordo del canale o il bordo di controllo. È necessaria una pianificazione ottimale del bordo di controllo e un’attenta considerazione della guarnizione in elastomero stampato e della guida del pistone, per garantire un passaggio morbido con il minimo grado di usura.

Le guarnizioni possono essere montate direttamente sull’alloggiamento della valvola. Ancora una volta, i recessi richiesti sono difficili da produrre e l’effetto Bernoulli causerà la rimozione delle guarnizioni a una pressione di 8 bar o superiore. Questo crea una maggiore usura sulla guarnizione.

Per risolvere questo problema, è possibile utilizzare guarnizioni stampate in gabbie metalliche, mantenendole quindi nei recessi. Questo è noto come il principale della cartuccia. Il vantaggio è che la valvola non verrà estratta dalla posizione anche a pressioni di esercizio elevate. Le guarnizioni potrebbero mantenere nelle gabbie metalliche con pressioni fino a 16 bar. Questo tipo di configurazione avrà una lunga durata della valvola e la guarnizione può essere utilizzata nelle operazioni di vuoto.

Vantaggi

Il vantaggio principale delle valvole a bobina è che il movimento della bobina non è influenzato dal fluido che entra nella valvola in qualsiasi porta di lavoro. La pressione viene sempre applicata a due aree uguali opposte. Di conseguenza, la pressione non può spostare la bobina perché vengono annullati. Le valvole a bobina possono spostarsi manualmente, elettricamente, meccanicamente, pneumaticamente o idraulicamente con la stessa forza, indipendentemente dalla pressione di esercizio all’interno della valvola.

I solenoidi a bassa forza possono essere utilizzati in combinazione con le valvole a spola, grazie alla loro facilità di movimento tramite attrito meccanico e molle leggere. Come accennato in precedenza, le valvole a bobina possono essere utilizzate nelle operazioni di vuoto. Possono anche essere impiegati in alte e basse pressioni come valvole selettrici. Inoltre, possono essere utilizzati per bloccare la pressione a valle.

Svantaggi

I raccordi di scorrimento metallo-metallo possono causare il fluido che bypassa la guarnizione, il che, come accennato in precedenza, provoca perdite. L’azionatore perderà la posizione se la forza esterna è applicata. Ciò crea inefficienze sotto forma di energia e calore sprecati. Per aiutare a ridurre il bypass, le valvole a spola hanno tipicamente sovrapposizione di terra, ma questo si traduce in un ritardo prima del flusso del fluido. Il ritardo è piccolo – solo pochi millisecondi-ma può causare un problema se i cicli sono molto veloci e/o se ci sono diversi spostamenti della valvola per ciclo.

Si verifica anche un ritardo temporale se lo spool torna alla fine della sua corsa. La valvola a spola si muove più del necessario per il flusso richiesto. Di conseguenza, ci vuole più tempo spostando di nuovo al centro o al percorso di flusso opposto. Quando sono coinvolte più valvole, questo rallenta significativamente il tempo di ciclo.

Utilizzando limitatori di corsa aiuta ad eliminare il ritardo, ma l’approccio più comune è quello di aumentare le dimensioni della pompa. Anche se si ottiene un ingresso di energia più elevato e un movimento dell’attuatore più veloce installando una pompa più grande, è possibile aggiungere shock e calore al sistema. Un altro svantaggio delle valvole a bobina è che il crossover aperto si verifica quando tutte le porte sono momentaneamente aperte per fluire durante l’azionamento.

Come scegliere la valvola giusta per il lavoro

La tabella di accompagnamento è un aiuto per la selezione delle valvole. Sia le valvole a spola che a fungo presentano vantaggi e svantaggi, ma quella che meglio si adatta alla tua applicazione dipenderà dalle tue condizioni operative. Si deve considerare, ad esempio, se i valori di perdita bassi e il funzionamento a doppia pressione con vuoto e impulso di espulsione sono le priorità di progettazione. O se siete più interessati con alte pressioni di esercizio, alcune perdite possono essere ammissibili. Una migliore comprensione delle tue condizioni operative ti aiuterà a scegliere la valvola giusta per il lavoro.

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