I. La funzione principale diElettrovalvole
L'elettrovalvola, in quanto componente chiave per la conversione elettro-pneumatica, ha la responsabilità di convertire in modo efficiente i segnali elettrici in segnali pneumatici. Dopo aver ricevuto l'istruzione di controllo, l'elettrovalvola può rilasciare, arrestare o modificare con precisione la direzione del flusso dell'aria compressa, ottenendo così molteplici funzioni, tra cui il controllo della direzione di azione del componente dell'attuatore pneumatico, il controllo della quantità dell'interruttore ON/OFF e il controllo logico OR/NOT/AND. Tra i vari tipi di elettrovalvole, la valvola di controllo direzionale a controllo elettromagnetico occupa una posizione centrale e svolge un ruolo cruciale.
II. Principio di funzionamento della valvola di controllo direzionale a controllo elettromagnetico
Nei sistemi pneumatici, la valvola di controllo direzionale a controllo elettromagnetico svolge un ruolo cruciale. È responsabile del controllo dell'apertura e della chiusura del canale del flusso d'aria o della modifica della direzione del flusso dell'aria compressa. Il suo principio di funzionamento fondamentale si basa sulla forza elettromagnetica generata dalla bobina elettromagnetica. Questa forza spingerà il nucleo della valvola a commutare, raggiungendo così lo scopo di invertire il flusso d'aria. In base ai diversi modi in cui la parte di controllo elettromagnetico spinge la valvola di controllo direzionale, le valvole di controllo direzionale a controllo elettromagnetico possono essere suddivise in due tipi: ad azione diretta-e ad azionamento pilotato-. Le elettrovalvole ad azione diretta-utilizzano direttamente la forza elettromagnetica per invertire la direzione del nucleo della valvola, mentre le valvole di controllo direzionale pilotate-si affidano alla pressione dell'aria pilota generata dalla valvola pilota elettromagnetica per azionare il nucleo della valvola per ottenere l'inversione.
La Figura 1 mostra una semplice vista in sezione-trasversale di un'elettrovalvola ad azione diretta-a 3/2 (tre-vie e due-posizioni) (tipo normalmente aperto) e il suo principio di funzionamento. Quando la bobina è energizzata, il nucleo statico di ferro genererà forza elettromagnetica e questa forza spingerà il nucleo della valvola a spostarsi verso l'alto. Quando il nucleo della valvola si solleva, la guarnizione viene sollevata, collegando così le porte 1 e 2 e scollegando le porte 2 e 3. A questo punto, la valvola è nello stato di aspirazione e può controllare il movimento del cilindro. Una volta interrotta l'alimentazione, il nucleo della valvola farà affidamento sulla forza di ripristino della molla per tornare al suo stato originale, ovvero le porte 1 e 2 sono disconnesse mentre le porte 2 e 3 sono collegate. In questo modo la valvola si trova nello stato di scarico.
La Figura 2 mostra una semplice vista in sezione trasversale dell'elettrovalvola ad azione diretta 5/2 (cinque-due-posizioni)-ad azione diretta (tipo normalmente aperto) e il suo principio di funzionamento. Nello stato iniziale, l'aspirazione dell'aria avviene attraverso le porte 1 e 2, mentre lo scarico avviene attraverso le porte 4 e 5. Quando la bobina è energizzata, il nucleo statico di ferro genera forza elettromagnetica. Questa forza farà funzionare la valvola pilota e quindi l'aria compressa entrerà nel pistone pilota della valvola attraverso il percorso dell'aria, provocando l'avvio del pistone. Al centro del pistone la superficie circolare di tenuta apre il canale. A questo punto, l'aria entra dalle porte 1 e 4, mentre l'aria viene scaricata dalle porte 2 e 3. Una volta interrotta l'alimentazione, la valvola pilota farà affidamento sulla forza di ripristino della molla per tornare al suo stato originale.
Successivamente, parliamo della funzione dell'elettrovalvola. La funzione di una valvola elettromagnetica è rappresentata da due numeri: M e N, che è chiamata valvola elettromagnetica M-percorso N-posizione. Tra questi, la "Posizione N" rappresenta la posizione di commutazione della valvola di controllo direzionale, cioè lo stato della valvola. Il numero di posizioni della valvola è il valore di N. Ad esempio, una valvola a due-posizioni ha due opzioni di posizione, ovvero ha due stati. La valvola a tre-posizioni ha tre opzioni di posizione, ovvero esistono tre stati diversi. Il "percorso M" indica il numero di interfacce esterne della valvola, inclusi l'ingresso dell'aria, l'uscita dell'aria e la porta di scarico. Il numero di percorsi è il valore di M.
Prendiamo come esempio la valvola nella Figura 1. Si tratta di un'elettrovalvola ad azione diretta- da 3/2, ovvero la valvola ha due posizioni, ovvero gli stati "on" e "off". Allo stesso tempo, ha tre porte d'aria: 1 è l'ingresso dell'aria, 2 è l'uscita dell'aria e 3 è la porta di scarico.
Analisi delle vie aeree dell'elettrovalvola
All'estremità sinistra del diagramma del percorso del gas, il simbolo all'estrema sinistra rappresenta solitamente la molla inferiore. La parte centrale è il corpo della valvola, che contiene le informazioni chiave per determinare il tipo di elettrovalvola. Ad esempio, le due caselle nella figura indicano che si tratta di un'elettrovalvola a due-posizioni, mentre A/B/R/P/S rappresentano le posizioni dei fori del corpo della valvola, ovvero la valvola a cinque-vie. Pertanto, questa elettrovalvola è un'elettrovalvola a due-posizioni e cinque-vie. Allo stesso modo, possiamo determinare il numero di bit e il numero di passaggi dell'elettrovalvola dal numero di fori e dal numero di scatole.
Inoltre, il diagramma del percorso del gas mostra anche i percorsi operativi del percorso del gas quando l'alimentazione è spenta e quando l'alimentazione è accesa. Togliendo alimentazione, il percorso dell'aria entra attraverso il foro P, agisce sull'attuatore attraverso il foro A, quindi passa attraverso il foro B, ed infine viene scaricato dal Foro S, mentre il Foro R rimane chiuso. All'accensione, il percorso dell'aria entra anche dal foro P, ma in questo momento l'aria viene scaricata dal foro B, agendo sull'attuatore e passando attraverso il foro A, per poi essere scaricata dal foro R, mentre il foro S è chiuso.
La parte destra della Figura 3 rappresenta generalmente bobine o valvole pilota, che svolgono un ruolo importante nel funzionamento delle elettrovalvole. Interpretando questi diagrammi delle vie aeree possiamo comprendere più a fondo il principio di funzionamento dell'elettrovalvola e il funzionamento delle vie aeree in diverse condizioni.
La Figura 4 mostra lo schema elettrico dell'elettrovalvola pneumatica. Lo schema elettrico è la chiave per comprendere il principio di funzionamento di una valvola elettromagnetica. Descrive chiaramente la bobina, i contatti e la relazione di connessione con altri componenti elettrici. Osservando lo schema elettrico possiamo comprendere più a fondo le variazioni elettriche dell'elettrovalvola quando viene accesa e spenta, cogliendone meglio le caratteristiche di funzionamento.
Iv. Selezione di elettrovalvole a-controllo singolo ed elettrovalvole a-controllo doppio
L'elettrovalvola singola a comando elettrico, come suggerisce il nome, è dotata di una sola bobina. Una volta acceso, cambierà ed entrerà in un altro stato. Quando l'alimentazione viene interrotta, tornerà automaticamente allo stato originale. Questo principio di funzionamento è mostrato nella Figura 5. Al contrario, l'elettrovalvola doppia elettro-è dotata di due bobine. Controllando gli stati energizzati di diverse bobine, è possibile ottenere più commutazioni e mantenere comunque lo stato precedente dopo lo spegnimento-, come mostrato nella Figura 6. Questa differenza funzionale determina direttamente le diverse scelte nelle applicazioni pratiche.
Le Figure 5 e 6 illustrano i principi di funzionamento delle elettrovalvole a comando singolo-e delle elettrovalvole a comando doppio-. Quando si effettua una selezione, se il tempo di inversione della valvola è relativamente breve, una singola-elettrovalvola di controllo è sufficiente per gestirla. Tuttavia, se il tempo di commutazione è lungo, la bobina deve essere continuamente accesa, il che potrebbe causare il surriscaldamento della bobina a causa dell'accensione prolungata- e persino la bruciatura. Per evitare questa situazione, è possibile selezionare una valvola di controllo doppia-. Inoltre, se è necessario ottenere la funzione di ripristino dopo un'interruzione di corrente, è più adatta una singola elettrovalvola controllata elettricamente. Se è necessario mantenere lo stato attuale dopo un'interruzione di corrente, è più adatta un'elettrovalvola a doppio controllo-.
V. Differenze e applicazioni tra le elettrovalvole-azionate da pilota e le elettrovalvole-ad azione diretta
Tra i tipi di elettrovalvole, quelle pilotate-e quelle ad azione-diretta sono due tipi comuni. Differiscono nei principi di funzionamento e negli scenari applicativi. Le elettrovalvole pilotate-passano dal gas al liquido attraverso i fori pilota, mentre le elettrovalvole-ad azione diretta si basano sulle differenze di pressione per controllare il movimento del nucleo della valvola. Questa differenza fa sì che i due tipi di elettrovalvole presentino ciascuno i propri vantaggi quando rispondono a diverse esigenze industriali. Ad esempio, in alcune situazioni che richiedono una risposta rapida e un'elevata sensibilità, le elettrovalvole ad azione diretta-potrebbero essere più adatte. Nelle situazioni in cui sono richiesti un controllo preciso e un consumo energetico ridotto, le elettrovalvole pilotate-potrebbero rivelarsi vantaggiose.
La progettazione strutturale delle elettrovalvole-ad azione diretta è relativamente semplice. Il loro principio di funzionamento si basa principalmente sulla forza elettromagnetica che spinge direttamente il nucleo della valvola ad agire. Tuttavia, questo design presenta anche due grossi difetti. Innanzitutto, a causa della grande richiesta di forza elettromagnetica, il volume della bobina dell'elettromagnete aumenta di conseguenza, il che a sua volta porta ad un maggiore consumo di energia. In secondo luogo, le elettrovalvole-ad azione diretta sono relativamente sensibili alla pressione. Quando la pressione supera un certo limite (solitamente superiore a 0,7 MPA), molte elettrovalvole-ad azione diretta non possono funzionare correttamente. Ciò è dovuto principalmente alla pressione eccessivamente elevata che agisce sul nucleo della valvola, rendendo difficile il funzionamento del nucleo della valvola da parte della forza elettromagnetica. Nonostante ciò, anche le elettrovalvole ad azione diretta-presentano vantaggi: struttura semplice, prezzo conveniente e basso tasso di guasto.
2. L'elettrovalvola pilotata- è progettata in modo ingegnoso. Abbandona la tradizionale forza elettromagnetica e utilizza invece la pressione dell'aria per far agire il nucleo della valvola. Le elettrovalvole con diametro superiore a 4 mm sono solitamente composte da una valvola pilota e una valvola principale. Dopo l'accensione dell'elettrovalvola, la valvola pilota si aprirà e controllerà l'apertura della valvola principale attraverso il suo segnale di uscita. Vale la pena notare che la valvola principale è in realtà una valvola di controllo pneumatica e il suo funzionamento richiede l'azione coordinata di due fonti d'aria: una è la fonte d'aria della valvola principale e l'altra è la fonte d'aria della valvola pilota.
Se la fonte d'aria principale fornisce aria alla valvola pilota attraverso il passaggio dell'aria interno dell'elettrovalvola, questo modello viene chiamato tipo con pilotaggio interno. Se la valvola pilota viene alimentata con gas da una fonte indipendente dalla fonte di gas principale, si parla di tipo con pilotaggio esterno. Nella Figura 8, il lato sinistro mostra un esempio di un'elettrovalvola a pilotaggio esterno-, mentre il lato destro mostra un esempio di un'elettrovalvola a pilotaggio interno-azionata.
Il confronto fisico tra il cavo interno e quello esterno è mostrato nella figura seguente.
Questi due tipi di elettrovalvole, ovvero pilota interno e pilota esterno, spesso coesistono nello stesso sistema. Di solito, il pilota interno è già in grado di soddisfare le esigenze della maggior parte delle occasioni. Tuttavia, in alcune circostanze specifiche, la leadership esterna diventa ancora più necessaria. Ad esempio, quando la pressione della fonte di gas della valvola principale fluttua e può scendere al di sotto di 0,2 MPA, o quando si trova in un ambiente sotto vuoto, poiché la fonte di gas della valvola pilota non può essere condivisa con quella della valvola principale, altrimenti la valvola principale potrebbe non essere in grado di aprirsi. A questo punto, per alimentare la valvola pilota è necessaria una fonte d'aria indipendente con una pressione superiore a 0,2 MPA. Inoltre, quando la differenza di pressione tra l'ingresso e l'uscita dell'aria è significativa, o quando la pressione delle vie aeree principali supera 1 MPA, il pilota interno potrebbe dover aumentare il volume strutturale caricando direttamente la pressione delle vie aeree sul nucleo della valvola. Il pilota esterno risolve il problema introducendo direttamente un canale del gas nella porta del pilota senza la necessità di aggiungere una valvola elettromagnetica; è necessario aggiungere solo un tubo dell'aria.
In conclusione, le elettrovalvole pilotate- presentano i vantaggi di piccole teste elettromagnetiche e di un basso consumo energetico. È esteticamente gradevole e consente di risparmiare spazio di installazione. Allo stesso tempo, genera meno calore e ha un notevole effetto di risparmio energetico-. Ancora più importante, a causa della bassa generazione di calore, la bobina ha meno probabilità di bruciarsi e può essere accesa per lungo tempo. Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni pratiche. Ad esempio, la potenza di alcune elettrovalvole di SMC è stata ridotta a soli 0,1 W, consentendo un'alimentazione continua senza surriscaldamento. La gamma di potenza delle elettrovalvole ad azione diretta-è di 4-20 W, con un tempo di accensione-relativamente breve. Inoltre, l'accensione frequente-presenta il rischio di esaurimento. Pertanto, nelle situazioni in cui è richiesta l'alimentazione per lunghi periodi o ad alte frequenze, le elettrovalvole pilotate- diventano la scelta preferita. Infatti, la maggior parte delle elettrovalvole comunemente utilizzate oggigiorno hanno adottato un design ad azionamento pilotato. Tra le elettrovalvole che lasciano passare solo il liquido, quelle ad azione diretta rappresentano ancora una certa percentuale. Ciò è dovuto principalmente al fatto che le impurità presenti nel fluido possono ostruire gli stretti canali della valvola pilota.
Successivamente, approfondiremo i tre tipi di elettrovalvole a tre-posizioni e cinque-vie: media-sigillata, media-ventilata e media-pressione, nonché le loro applicazioni. Questo tipo di elettrovalvola utilizza doppie bobine di comando elettrico. Quando nessuno dei due elettromagneti è energizzato, il nucleo della valvola si troverà nella posizione centrale sotto la spinta bilanciata delle molle su entrambi i lati. A questo punto, lo stato on-off del percorso del gas nell'elettrovalvola ne determinerà il tipo specifico - tenuta centrale, sfiato centrale o pressione media. Analizzeremo uno per uno i principi e gli scenari applicativi di queste tre tipologie.
1.Analisi dello stato della tenuta centrale: quando nessuna delle due bobine è energizzata, la pressione nelle camere anteriore e posteriore del cilindro rimarrà allo stato successivo alla diseccitazione delle bobine e non cambierà. Allo stesso tempo, sia le porte di aspirazione che quelle di scarico sono chiuse. Tuttavia, il mantenimento di questo stato per lungo tempo può causare gradualmente la perdita di equilibrio a causa di piccole perdite. Il diagramma schematico è mostrato in (Figura 10).
A causa della comprimibilità del gas e del fatto che i componenti pneumatici come cilindri, valvole e giunti dei tubi del gas non possono essere completamente privi di perdite-, il cilindro non può essere mantenuto stabilmente nella posizione di arresto intermedio per lungo tempo. Questo stato di equilibrio andrà gradualmente perso nel tempo, con conseguente diminuzione della precisione di posizionamento del cilindro. Tuttavia, per quelle condizioni di lavoro in cui la precisione di posizionamento del cilindro non è molto richiesta e il tempo di sosta è relativamente breve, è comunque possibile prendere in considerazione l'uso del cilindro con tenuta centrale-.
2. Metodo di scarico medio: quando nessuna delle due bobine è energizzata, non c'è pressione nelle camere anteriore e posteriore del cilindro e contemporaneamente la porta di aspirazione dell'aria rimane chiusa. A questo punto la pressione presente nelle camere anteriore e posteriore del cilindro verrà scaricata attraverso le due luci di scarico dell'elettrovalvola. Il suo principio di funzionamento può essere fatto riferimento alla Figura 11.
Rispetto alla valvola a tenuta centrale-, il design del circuito di scarico centrale-può fornire un tempo di arresto intermedio-più lungo. Negli scenari in cui il cilindro deve spostarsi verticalmente, il tempo di arresto intermedio- è relativamente lungo, ma i requisiti di precisione del posizionamento non sono molto rigidi, il circuito di rilascio intermedio- è una scelta che vale la pena considerare.
3. Stato di pressione media: quando nessuna delle due bobine è energizzata, la pressione nelle camere anteriore e posteriore del cilindro rimarrà allo stato in cui la bobina precedente è diseccitata e verrà applicata una pressione continua per garantire che la pressione nelle camere anteriore e posteriore del cilindro sia coerente con quella all'estremità di aspirazione. A questo punto l'aspirazione dell'aria è aperta mentre lo scarico è chiuso. Il principio di funzionamento è mostrato nella Figura 12.
Se il cilindro non è soggetto ad una forza di carico assiale esterna, il pistone rimarrà in uno stato bilanciato e quindi rimarrà esattamente in qualsiasi posizione durante la corsa. Le caratteristiche di questo circuito richiedono che il cilindro venga installato in posizione orizzontale. Pertanto, in condizioni di lavoro in cui è richiesto un posizionamento ad alta-precisione e non è presente una forza di carico assiale esterna, si consiglia di utilizzare una valvola di media-pressione in combinazione con un cilindro con stelo a doppio pistone.
