Электромагнитный клапан представляет собой клапан с электромеханическим управлением .
Электромагнитные клапаны различаются характеристиками используемого электрического тока , силой генерируемого ими магнитного поля , механизмом, который они используют для регулирования жидкости , а также типом и характеристиками жидкости, которой они управляют. Механизм варьируется от линейных приводов плунжерного типа до приводов с поворотным якорем и кулисных приводов. Клапан может иметь конструкцию с двумя портами для регулирования потока или использовать конструкцию с тремя или более портами для переключения потоков между портами. Несколько электромагнитных клапанов могут быть размещены вместе на коллекторе .
Электромагнитные клапаны являются наиболее часто используемыми элементами управления в струйной технике . Их задачи — перекрывать, выпускать, дозировать, распределять или смешивать жидкости. Они встречаются во многих областях применения. Соленоиды обеспечивают быстрое и безопасное переключение, высокую надежность, длительный срок службы, хорошую совместимость используемых материалов, низкую мощность управления и компактную конструкцию.
Существует множество вариантов конструкции клапана. Обычные клапаны могут иметь множество отверстий и каналов для жидкости. Например, двухходовой клапан имеет 2 порта; если клапан открыт , то два порта соединены, и жидкость может течь между портами; если клапан закрыт , то порты изолированы. Если клапан открыт, когда на соленоид не подается питание, то клапан называется нормально открытым (НО). Аналогично, если клапан закрыт, когда на соленоид не подается питание, то клапан называется нормально закрытым (НЗ). [1] Существуют также трехходовые и более сложные конструкции. [2] Трехходовой клапан имеет 3 порта; он соединяет один порт с любым из двух других портов (обычно с портом подачи и выпускным портом).
Электромагнитные клапаны также характеризуются тем, как они работают. Небольшой соленоид может генерировать ограниченную силу. Приблизительное соотношение между необходимой силой соленоида F s , давлением жидкости P и площадью отверстия A для электромагнитного клапана прямого действия: [3]
Где d – диаметр отверстия. Типичная сила соленоида может составлять 15 Н (3,4 фунта силы ). Применением может быть газ низкого давления (например, 10 фунтов на квадратный дюйм (69 кПа)) с небольшим диаметром отверстия (например, 3 ⁄ 8 дюйма (9,5 мм) для площади отверстия 0,11 дюйма 2 (7,1 × 10 -5 м 2 ). ) и приблизительной силой 1,1 фунта-силы (4,9 Н)).
Если требуемая сила достаточно мала, соленоид может напрямую привести в действие главный клапан. Их просто называют электромагнитными клапанами прямого действия . Когда подается электричество, электрическая энергия преобразуется в механическую энергию, физически перемещая барьер, чтобы либо препятствовать потоку (если это NO), либо разрешать поток (если это NC). Пружина часто используется для возврата клапана в исходное положение после отключения питания. Клапаны прямого действия полезны своей простотой, хотя они требуют большого количества энергии по сравнению с другими типами электромагнитных клапанов. [4]
Если давление жидкости высокое и диаметр отверстия большой, соленоид может сам по себе не создавать достаточного усилия для приведения в действие клапана. Чтобы решить эту проблему, можно использовать конструкцию электромагнитного клапана с пилотным управлением . [1] В такой конструкции для приложения сил, необходимых для приведения в действие клапана, используется сама жидкость под давлением, а соленоид выступает в роли «пилота», направляющего жидкость (см. подраздел ниже). Эти клапаны используются в посудомоечных машинах, ирригационных системах и других устройствах, где желательны большие давления и/или объемы. Соленоиды с пилотным управлением, как правило, потребляют меньше энергии, чем соленоиды прямого действия, хотя они вообще не будут работать без достаточного давления жидкости и более подвержены засорению, если жидкость содержит твердые примеси. [4]
Электромагнитный клапан прямого действия обычно срабатывает за 5–10 миллисекунд. Клапаны с пилотным управлением работают немного медленнее; в зависимости от их размера типичные значения варьируются от 15 до 150 миллисекунд. [2]
Потребляемая мощность и требования к питанию соленоида различаются в зависимости от применения и в первую очередь определяются давлением жидкости и диаметром отверстия. Например, популярный спринклерный клапан размером 3 ⁄ 4 дюйма на давление 150 фунтов на квадратный дюйм, предназначенный для бытовых систем с напряжением 24 В переменного тока (50–60 Гц), имеет кратковременную пусковую мощность 7,2 ВА и требуемую удерживающую мощность 4,6 ВА. [5] Для сравнения: промышленный 1 / 2 -дюймовый клапан на 10 000 фунтов на квадратный дюйм, предназначенный для систем с напряжением 12, 24 или 120 В переменного тока в жидкостях высокого давления и криогенных приложениях, имеет пусковую мощность 300 ВА и удерживающую мощность 22 ВА. [6] Ни один из клапанов не указывает минимальное давление, необходимое для того, чтобы оставаться закрытым в обесточенном состоянии.
Хотя существует несколько вариантов конструкции, ниже приводится подробное описание типичного электромагнитного клапана с пилотным управлением. Они могут использовать металлические или резиновые уплотнения, а также могут иметь электрические интерфейсы для облегчения управления.
На схеме справа показана конструкция базового клапана, регулирующего поток воды в этом примере. В верхней половине показан клапан в закрытом состоянии. Входной поток воды под давлением поступает в точку A. B — эластичная диафрагма, а над ней — пружина, толкающая ее вниз. Диафрагма имеет точечное отверстие в центре, через которое проходит очень небольшое количество воды. Эта вода заполняет полость C так, что давление по обе стороны диафрагмы примерно одинаковое. Однако вода под давлением в полости C действует на гораздо большую площадь диафрагмы, чем вода во входном отверстии A. Из уравнения видно , что сила давления со стороны полости C вниз больше, чем сила со стороны впускного отверстия A , толкающая вверх, и диафрагма остается закрытой.
Диафрагма B будет оставаться закрытой до тех пор, пока небольшой дренажный канал D остается заблокированным штифтом, управляемым соленоидом E. В нормально закрытом клапане подача электрического тока на соленоид поднимет штифт под действием магнитной силы, и вода из полости C вытечет через канал D быстрее, чем точечное отверстие сможет ее снова заполнить. Меньшее количество воды в полости C означает, что давление на этой стороне диафрагмы падает, пропорционально уменьшая и силу. Поскольку направленная вниз сила полости C теперь меньше, чем направленная вверх сила впускного отверстия A , диафрагма выталкивается вверх, открывая таким образом клапан. Теперь вода свободно течет из A в F. Когда соленоид деактивируется и канал D закрывается, вода снова скапливается в полости C , закрывая диафрагму, как только приложенная вниз сила становится достаточно большой.
Этот процесс является противоположным для нормально открытого пилотного клапана. В этом случае штифт естественным образом удерживается в открытом положении пружиной, канал D открыт, а полость C никогда не может наполниться достаточно, толкая диафрагму B и открывая беспрепятственный поток. Подача электрического тока на соленоид переводит штифт в закрытое положение, блокируя проход D , позволяя воде скапливаться в полости C и, в конечном итоге, закрывая диафрагму B.
Таким образом, электромагнитный клапан с пилотным управлением можно представить как два клапана, работающих вместе: электромагнитный клапан прямого действия, который действует как «мозг», направляя «мышцы» гораздо более мощного главного клапана, который приводится в действие пневматически или гидравлически . Вот почему клапаны с пилотным управлением не будут работать без достаточного перепада давления между входом и выходом: «мышцы» должны быть достаточно сильными, чтобы оттолкнуться от диафрагмы и открыть ее. Если давление на выходе превысит давление на входе, клапан откроется независимо от состояния соленоида и пилотного клапана.
Конструкции электромагнитных клапанов имеют множество вариаций и проблем.
Общие компоненты электромагнитного клапана: [7] [8] [9] [10]
Сердечник или плунжер — это магнитный компонент, который перемещается, когда на соленоид подается напряжение. Сердечник соосен соленоиду. Движение ядра создаст или разрушит уплотнения, контролирующие движение жидкости. Когда на катушку не подается напряжение, пружины будут удерживать сердечник в нормальном положении.
Штепсельная гайка также является коаксиальной.
Основная трубка содержит и направляет сердечник. Он также удерживает заглушку и может герметизировать жидкость. Чтобы оптимизировать движение сердечника, трубка сердечника должна быть немагнитной. Если бы трубка с сердечником была магнитной, то она обеспечивала бы шунтирующий путь для силовых линий. [11] В некоторых конструкциях сердечниковая трубка представляет собой закрытую металлическую оболочку, изготовленную методом глубокой вытяжки . Такая конструкция упрощает проблемы герметизации, поскольку жидкость не может выйти из корпуса, но такая конструкция также увеличивает сопротивление магнитного пути, поскольку магнитный путь должен пересекать толщину трубки сердечника дважды: один раз возле заглушки и один раз возле сердечника. В некоторых других конструкциях сердечниковая трубка не закрыта, а представляет собой открытую трубку, которая надевается на один конец гайки. Чтобы сохранить заглушку, трубку можно прижать к ней. Уплотнительное кольцо между трубкой и гайкой предотвратит утечку жидкости.
Соленоидная катушка состоит из множества витков медной проволоки, которые окружают трубку сердечника и вызывают движение сердечника. Катушку часто заливают эпоксидной смолой. Катушка также имеет железный каркас, обеспечивающий низкое сопротивление магнитного пути.
Корпус клапана должен быть совместим с жидкостью; распространенными материалами являются латунь, нержавеющая сталь, алюминий и пластик. [12]
Уплотнения должны быть совместимы с жидкостью.
Чтобы упростить проблемы с уплотнением, гайка, сердечник, пружины, экранирующее кольцо и другие компоненты часто подвергаются воздействию жидкости, поэтому они также должны быть совместимы. Требования создают некоторые особые проблемы. Трубка сердечника должна быть немагнитной, чтобы передавать поле соленоида на гайку и сердечник. Для гайки и сердечника необходим материал с хорошими магнитными свойствами, например железо, но железо склонно к коррозии. Можно использовать нержавеющие стали , поскольку они бывают как магнитными, так и немагнитными. [13] Например, в электромагнитном клапане может использоваться нержавеющая сталь 304 для корпуса, нержавеющая сталь 305 для трубки сердечника, нержавеющая сталь 302 для пружин и нержавеющая сталь 430 F (магнитная нержавеющая сталь [14] ) для сердечника. и плагинут. [1]
Возможны различные варианты базового одноходового одноэлектромагнитного клапана, описанного выше:
Электромагнитные клапаны используются в гидравлических пневматических и гидравлических системах для управления цилиндрами, гидравлическими двигателями или более крупными промышленными клапанами. В автоматических спринклерных системах орошения также используются электромагнитные клапаны с автоматическим контроллером . В бытовых стиральных и посудомоечных машинах используются электромагнитные клапаны для контроля поступления воды в машину. Они также часто используются в спусковых крючках пейнтбольных ружей для приведения в действие ударного клапана CO 2 . Электромагнитные клапаны обычно называют просто «соленоидами».
Электромагнитные клапаны могут использоваться для широкого спектра промышленных применений, включая общее двухпозиционное управление, калибровочные и испытательные стенды, контуры управления пилотными установками, системы управления технологическими процессами и различные приложения производителей оригинального оборудования. [15]
В 1910 году ASCO Numatics стала первой компанией, разработавшей и производящей электромагнитный клапан. [16] [17]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )