Электромагнитный клапан — это клапан с электромеханическим управлением .
Электромагнитные клапаны различаются по характеристикам используемого ими электрического тока , силе создаваемого ими магнитного поля , механизму, который они используют для регулирования жидкости , а также типу и характеристикам жидкости, которой они управляют. Механизм варьируется от линейного действия , плунжерных приводов до приводов с поворотным якорем и кулисных приводов. Клапан может использовать двухпортовую конструкцию для регулирования потока или использовать трехпортовую или более конструкцию для переключения потоков между портами. Несколько электромагнитных клапанов могут быть размещены вместе на коллекторе .
Соленоидные 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 со средой, низкую мощность управления и компактную конструкцию.
Существует множество вариантов конструкции клапана. Обычные клапаны могут иметь много портов и путей движения 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 соленоид не находится под напряжением, то клапан называется нормально открытым (НО). Аналогично, если клапан закрыт, когда соленоид не находится под напряжением, 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 портом подачи и портом выпуска).
Электромагнитные клапаны также характеризуются тем, как они работают. Небольшой соленоид может генерировать ограниченную силу. Приблизительное соотношение между требуемой 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 фунт- силы ). Применением может быть газ низкого давления (например, 10 фунтов на квадратный дюйм (69 кПа)) с малым 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 фунт-силы (4,9 Н)).
Если требуемое усилие достаточно мало, соленоид способен напрямую приводить в действие главный клапан. Их просто называют соленоидными клапанами прямого действия . При подаче электричества электрическая энергия преобразуется в механическую, физически перемещая барьер, чтобы либо препятствовать потоку (если он НЕТ), либо пропускать поток (если он НЗ). Для возврата клапана в положение покоя после отключения питания часто используется пружина. Клапаны прямого действия полезны своей простотой, хотя они требуют большого количества энергии по сравнению с другими типами соленоидных клапанов. [4]
Если давление жидкости высокое, а диаметр отверстия большой, соленоид может не генерировать достаточно силы самостоятельно, чтобы привести в действие клапан. Чтобы решить эту проблему, можно использовать конструкцию пилотного соленоидного клапана. [1] Такая конструкция использует саму жидкость под давлением для приложения сил, необходимых для приведения в действие клапана, при этом соленоид выступает в качестве «пилота», направляющего жидкость (см. подраздел ниже). Эти клапаны используются в посудомоечных машинах, системах орошения и других устройствах, где требуются большие давления и/или объемы. Пилотные соленоиды, как правило, потребляют меньше энергии, чем 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. Пилотные клапаны немного медленнее; в зависимости от их размера типичные значения составляют от 15 до 150 миллисекунд. [2]
Потребляемая мощность и требования к питанию соленоида различаются в зависимости от области применения, в первую очередь определяемые давлением жидкости и диаметром отверстия. Например, популярный 3 ⁄ 4 -дюймовый 150 psi спринклерный клапан, предназначенный для 24 В переменного тока (50–60 Гц) жилых систем, имеет кратковременный бросок 7,2 ВА и требуемую мощность удержания 4,6 ВА. [5] Для сравнения, промышленный 1 ⁄ 2 -дюймовый 10 000 psi клапан, предназначенный для 12, 24 или 120 В переменного тока в жидкостных и криогенных приложениях высокого давления, имеет бросок 300 ВА и мощность удержания 22 ВА. [6] Ни один из клапанов не указывает минимальное давление, необходимое для того, чтобы оставаться закрытым в состоянии без питания.
Хотя существует множество вариантов конструкции, ниже приведено подробное описание типичного пилотного соленоидного клапана. Они могут использовать металлические или резиновые уплотнения, а также могут иметь электрические интерфейсы для простого управления.
На схеме справа показана конструкция базового клапана, регулирующего поток воды в этом примере. Верхняя половина показывает клапан в закрытом состоянии. Входной поток воды под давлением поступает в 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 примерно одинаково по обеим сторонам диафрагмы. Однако вода под давлением в полости C действует на гораздо большую площадь диафрагмы, чем вода во впускном отверстии A. Из уравнения следует, что сила, действующая из полости C, направленная вниз, больше силы, действующей из впускного отверстия A , направленной вверх, и диафрагма остается закрытой.
Диафрагма B останется закрытой до тех пор, пока небольшой сливной проход D останется заблокированным штифтом, который управляется соленоидом E. В нормально закрытом клапане подача электрического тока на соленоид поднимет штифт посредством магнитной силы, и вода в полости C вытечет через проход D быстрее, чем отверстие может ее заполнить. Меньшее количество воды в полости C означает, что давление на этой стороне диафрагмы падает, пропорционально падая и сила. Поскольку направленная вниз сила полости C теперь меньше, чем направленная вверх сила впуска A , диафрагма выталкивается вверх, тем самым открывая клапан. Теперь вода свободно течет из A в F. Когда соленоид деактивирован и проход D закрыт, вода снова накапливается в полости C , закрывая диафрагму, как только приложенная направленная вниз сила становится достаточно большой.
Этот процесс является противоположным для нормально открытого пилотного клапана. В этом случае штифт естественным образом удерживается открытым пружиной, проход D открыт, а полость C никогда не может достаточно заполниться, открывая диафрагму B и обеспечивая беспрепятственный поток. Подача электрического тока на соленоид переводит штифт в закрытое положение, блокируя проход D , позволяя воде накапливаться в полости C и в конечном итоге закрывая диафрагму B.
Таким образом, управляемый пилотом соленоидный клапан можно представить как два клапана, работающих вместе: соленоидный клапан прямого действия, который функционирует как «мозг», направляя «мускулатуру» гораздо более мощного главного клапана, который приводится в действие пневматически или гидравлически . Вот почему управляемые пилотом клапаны не будут работать без достаточного перепада давления между входом и выходом, «мускулатура» должна быть достаточно сильной, чтобы отталкиваться от диафрагмы и открывать ее. Если давление на выходе поднимется выше давления на входе, клапан откроется независимо от состояния соленоида и управляющего клапана.
Конструкции электромагнитных клапанов имеют множество вариаций и проблем.
Общие компоненты электромагнитного клапана: [7] [8] [9] [10]
Сердечник или плунжер — это магнитный компонент, который движется, когда соленоид находится под напряжением. Сердечник коаксиален соленоиду. Движение сердечника закрывает или разрушает уплотнения, которые управляют движением жидкости. Когда катушка не находится под напряжением, пружины удерживают сердечник в его нормальном положении.
Вставная гайка также коаксиальная.
Трубка сердечника содержит и направляет сердечник. Она также удерживает заглушку и может герметизировать жидкость. Для оптимизации движения сердечника трубка сердечника должна быть немагнитной. Если бы трубка сердечника была магнитной, то она бы обеспечивала шунтирующий путь для линий поля. [11] В некоторых конструкциях трубка сердечника представляет собой закрытую металлическую оболочку, изготовленную методом глубокой вытяжки . Такая конструкция упрощает проблемы уплотнения, поскольку жидкость не может вытекать из оболочки, но конструкция также увеличивает сопротивление магнитного пути, поскольку магнитный путь должен пересекать толщину трубки сердечника дважды: один раз около заглушки и один раз около сердечника. В некоторых других конструкциях трубка сердечника не закрыта, а представляет собой открытую трубку, которая надевается на один конец заглушки. Чтобы удерживать заглушку, трубка может быть обжата на заглушке. Уплотнительное кольцо между трубкой и заглушкой предотвратит вытекание жидкости.
Соленоидная катушка состоит из множества витков медной проволоки, которые окружают трубку сердечника и вызывают движение сердечника. Катушка часто инкапсулируется в эпоксидную смолу. Катушка также имеет железный каркас, который обеспечивает низкое сопротивление магнитного пути.
Корпус клапана должен быть совместим с жидкостью; обычными материалами являются латунь, нержавеющая сталь, алюминий и пластик. [12]
Уплотнения должны быть совместимы с жидкостью.
Для упрощения проблем с уплотнением заглушка, сердечник, пружины, затеняющее кольцо и другие компоненты часто подвергаются воздействию жидкости, поэтому они также должны быть совместимы. Требования представляют некоторые особые проблемы. Трубка сердечника должна быть немагнитной, чтобы передавать поле соленоида к заглушке и сердечнику. Для заглушки и сердечника нужен материал с хорошими магнитными свойствами, например, железо, но железо подвержено коррозии. Можно использовать нержавеющую сталь, поскольку она бывает как магнитной, так и немагнитной. [13] Например, для соленоидного клапана 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 заглушки. [1]
Возможны многочисленные модификации базового одностороннего односоленоидного клапана, описанного выше:
Соленоидные клапаны используются в пневматических и гидравлических системах с жидкостным приводом для управления цилиндрами, двигателями с жидкостным приводом или более крупными промышленными клапанами. Автоматические системы полива также используют соленоидные клапаны с автоматическим контроллером . Бытовые стиральные машины и посудомоечные машины используют соленоидные клапаны для управления поступлением воды в машину. Они также часто используются в курках пейнтбольных маркеров для приведения в действие ударного клапана CO2 . Соленоидные клапаны обычно называют просто «соленоидами».
Электромагнитные клапаны могут использоваться в широком спектре промышленных применений, включая общее управление включением-выключением, калибровочные и испытательные стенды, контуры управления пилотными установками, системы управления технологическими процессами и различные приложения производителей оригинального оборудования. [15]
В 1910 году компания ASCO Numatics стала первой компанией, которая разработала и изготовила электромагнитный клапан. [16] [17]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )