Detalhes sobre Válvulas Carretel (Spool) e Assento (Poppet)
Nos sistemas pneumáticos, as válvulas desempenham um papel essencial, oferecendo uma abordagem precisa para controlar o fluxo de ar entre diferentes dispositivos.
Dois dos projetos mais comuns para válvulas de controle pneumático são a Válvula de Assento (também conhecida como Gatilho ou Poppet Valve) e a Válvula Carretel (Spool Valve).
Uma Válvula de Assento (tipo mais tradicional) consiste em um orifício que é habilmente aberto e fechado, operando através do movimento ascendente e descendente de uma superfície de vedação dentro do orifício.
Geralmente equipada com uma mola interna, a válvula é mantida na posição fechada, sendo liberada quando a força da mola é superada, permitindo a abertura da válvula.
Já a Válvula Carretel possui um design que compreende um eixo contendo uma série de anéis de vedação dentro de um invólucro. O movimento para frente e para trás do eixo resulta na alteração de posição dos O-rings, efetivamente abrindo e fechando diferentes caminhos de fluxo.
Este estudo aprofundado visa explorar as características distintas desses dois tipos de válvulas, destacando não apenas suas operações fundamentais, mas também as diferenças técnicas que contribuem significativamente para a melhoria do desempenho e da confiabilidade no contexto de sistemas pneumáticos.
Características básicas
Antes de iniciarmos o estudo, é crucial compreender e avaliar as características fundamentais que esperamos que esse tipo de válvula atenda. Estas características servirão como critérios essenciais para a análise, proporcionando uma base sólida para a compreensão e avaliação mais aprofundadas das válvulas em questão.
Essa abordagem inicial visa estabelecer um contexto claro e direcionado, permitindo uma exploração mais significativa das propriedades e funcionalidades específicas das válvulas que serão examinadas ao longo do estudo.
Com essa perspectiva, elencamos os seguintes critérios abrangentes:
i) Tempo de Vida:
- Deve apresentar uma vida operacional longa, capaz de manter o desempenho sob uma variedade de condições operacionais.
ii) Tempos de Resposta Rápidos e Constantes:
- Necessidade de garantir respostas rápidas e consistentes ao controle, assegurando eficiência nos processos pneumáticos.
iii) Atendimento às Características de Fluxo:
- A capacidade de atender às características específicas de fluxo exigidas por cada aplicação, proporcionando flexibilidade e adaptação às necessidades variadas.
iv) Facilidade de Manutenção:
- Deve ser de fácil manutenção, permitindo intervenções eficazes e rápidas para garantir a continuidade operacional.
As válvulas devem garantir eficiência no controle de ar, garantindo uma transição suave sem vazamentos internos. Minimizar o consumo de energia para os movimentos internos é igualmente crucial.
Válvulas Poppet (Gatilho ou válvula de assento)
Quanto às características internas das válvulas, os mecanismos direcionadores de fluxo devem ser projetados para minimizar as forças de atrito. É crucial garantir que, em cada posição de operação, seja proporcionado um local positivo. Por fim, é altamente desejável que o movimento dos componentes internos não resulte na remoção da lubrificação interna, contribuindo para a durabilidade e eficiência contínua do sistema.
Esses requisitos abrem espaço para uma análise mais aprofundada das válvulas, considerando não apenas suas funções superficiais, mas também os elementos internos que impactam diretamente no desempenho e na confiabilidade do sistema pneumático.
Dentro da categoria de válvulas, destacam-se dois tipos principais: Poppet (gatilho) e Spool (carretel), com subclassificações baseadas no método de atuação, como mecânico, piloto de ar e solenóide.
As Válvulas Poppet, também conhecidas como válvulas de assento, apresentam um êmbolo manual ou mecanicamente operado, normalmente mantido fechado por uma mola ou pressão de ar. Ao pressionar o êmbolo, a válvula se abre, permitindo o fluxo de ar da entrada para a saída.
A estrutura compreende um orifício, geralmente redondo ou oval (sede), e um plugue cônico, em formato de disco na extremidade de um eixo (obturador ou embolo). A região onde o obturador encontra a sede é chamada de “sede da válvula”. O eixo guia o obturador através de uma guia de válvula. Em aplicações de exaustão, um diferencial de pressão auxilia na vedação, enquanto em válvulas de admissão, o diferencial de pressão facilita a abertura.
A vedação entre o êmbolo e a sede é alcançada por discos planos, arruelas, O-rings ou fechos esféricos. Essa abordagem visa proporcionar uma compreensão clara das características e funcionamento das Válvulas Poppet, destacando seus componentes e princípios operacionais.
Tipo de Controle: Ação Direta
Na operação com campo magnético de força, a válvula opera de forma aberta, sem a necessidade de outra fonte de energia no meio.
Posições Estáveis:
A válvula mantém uma posição estável de acordo com a função da mola que sustenta o êmbolo. Ao aplicar um sinal elétrico, a válvula é chaveada, retornando à sua posição original na ausência do sinal.
Posição Original: Normal Fechada
Desenergizada, a válvula permanece na posição original, fechada.
Número de Portas e Posições
A figura revela que a válvula possui 3 portas conectadas ao processo. Quanto às posições, a válvula pode assumir duas: uma posição energizada (permitindo o fluxo da porta 2 para a porta 1) e uma posição fechada, ativada quando a energia é removida da bobina, retornando a válvula à sua posição original.
Funcionamento:
A operação inicia com o campo de geração de corrente elétrica, que eleva o êmbolo do tubo do operador. Na ausência de corrente, a mola mecânica empurra o plugue para baixo. Em válvulas de 3 vias, o obturador possui duas vedações, na parte inferior e superior, ambas em verde.
A pressão é conectada à porta 1. A força da mola fecha o disco da válvula na sede, bloqueando a porta 1. Essa força deve superar a do meio. Na posição básica, a válvula está aberta da porta 2 para a 3 (configuração padrão de uma válvula normalmente fechada de 3/2 vias).
Ao aplicar corrente elétrica suficiente à bobina, o disco da válvula é elevado da sede da porta 1. Simultaneamente, outro disco da válvula fecha a sede entre as portas 2 e 3. Assim, o meio flui livremente entre 1 e 2, enquanto a rota entre 2 e 3 é bloqueada. Na ausência de corrente elétrica, a válvula retorna à posição básica (1 fechada, aberta de 2 a 3).
É importante notar que válvulas solenoides de ação direta usam exclusivamente a energia elétrica para levantar o êmbolo contra a força da mola. Portanto, são ideais para válvulas com orifícios de tamanho menor, onde a força da mola supera a do meio abaixo do assento, e a força gerada pela bobina é maior que a da mola.
Principais vantagens das válvulas tipo poppet (tipo assento):
- Simplicidade:
- Design descomplicado facilitando a operação.
- Poucas Peças Móveis:
- Menos componentes móveis, reduzindo potenciais pontos de falha.
- Auto-limpante:
- Utilizam o efeito de purga de fluxo para uma limpeza eficiente.
- Resistência à Contaminação:
- Capacidade de resistir à contaminação externa.
- Manutenção Reduzida:
- Exigem pouca manutenção, contribuindo para a durabilidade.
- Alta Vazão em Espaço Reduzido:
- Oferecem alto fluxo mesmo em dimensões compactas.
- Baixa Fricção:
- Minimização de atrito, promovendo eficiência operacional.
- Respostas Rápidas:
- Capacidade de resposta rápida às mudanças de operação.
- Baixo Custo:
- Economicamente vantajosas em comparação com outras opções.
Desvantagens das Válvulas Tipo Poppet (Tipo Assento):
- Necessidade de Força Elevada:
- Requerem uma força significativa para operação.
- Pressão do Processo Pode Atuar:
- A pressão do processo pode exercer influência quando a força é retirada.
- Limitações nas Posições:
- Apesar de terem um curso de abertura e fechamento curto, operam apenas em duas posições (aberta ou fechada), dificultando a manutenção de uma posição intermediária.
- Complexidade em Comutações:
- Inadequadas para operações de comutação complexas que exigem combinações específicas de entradas e saídas.
- Sensibilidade a Flutuações de Pressão:
- Podem ser afetadas por flutuações na pressão de entrada, influenciando a força necessária para abrir a vedação da válvula.
Válvulas de Spool (Tipo Carretel):
Em sua essência, uma válvula de carretel emprega uma haste ou carretel com perfil especial, deslizando longitudinalmente no centro da válvula para alternar o fluxo de ar entre as diferentes portas de entrada e saída. A direção do fluxo é perpendicular à do carretel, cujo movimento pode ser manual, acionado por um piloto de ar ou por solenóide eletricamente operado.
As válvulas de carretel apresentam uma funcionalidade mais avançada em comparação com as válvulas de gatilho. Elas não são afetadas por variações na pressão operacional, garantindo tempos de resposta constantes. Este tipo de válvula oferece um método altamente eficaz para controlar o fluxo de ar em sistemas pneumáticos. Contudo, o nível de desempenho e eficiência está diretamente relacionado ao design e fabricação do carretel, resultando em várias variações desenvolvidas para atender a diferentes necessidades.
Agora, ao operar o atuador, observamos as mudanças de posição do carretel, resultando na extensão do cilindro. Esse fenômeno ocorre quando o carretel se desloca, desbloqueando a porta 1 e simultaneamente bloqueando a porta 3. Isso permite o fluxo de ar da porta 1 para a porta 2, enquanto bloqueia a exaustão, definindo o que chamamos de nossa “posição de trabalho”.
O cilindro permanecerá estendido até que o carretel retorne à posição normal, seja por meio de outro atuador na extremidade oposta da válvula ou por um retorno de mola interno. Neste exemplo, esse tipo de válvula é classificado como válvula 3/2 (três por dois) devido às suas 3 portas e 2 posições de carretel. Esse design específico permite controle eficaz do fluxo de ar em sistemas pneumáticos, demonstrando sua versatilidade e aplicação em cenários diversos.
Os elementos cruciais que influenciam diretamente o desempenho da válvula abrangem:
i) Fricção entre a Bobina e o Cano:
- A resistência que ocorre durante o deslizamento da bobina no cano, impactando a eficiência geral.
ii) Força Necessária para Mover a Bobina:
- A quantidade de energia requerida para deslocar a bobina, influenciando a resposta e a eficácia operacional.
iii) Vazamento de Ar ao Redor da Bobina:
- A ocorrência de vazamentos de ar, especialmente nas áreas onde o carretel sela cada abertura da porta, afetando a integridade do sistema.
iv) Efeito da Contaminação:
- O impacto negativo causado pela presença de contaminantes, que pode comprometer a operação suave e confiável da válvula.
Ao abordar esses fatores críticos, é possível otimizar o desempenho da válvula, garantindo uma operação eficiente e confiável em diversos ambientes e condições operacionais.
Carretéis de O-ring:
Tradicionalmente, os carretéis são confeccionados em aço inoxidável ondulado ou alumínio torneado. Anéis de borracha nitrílica são inseridos em ranhuras no carretel, sendo espaçadores adicionados para mantê-los em posição. Outra abordagem comum é incorporar os anéis de vedação dentro de gaiolas, feitas de plástico ou metal, montadas na face interna do cilindro.
Apesar da ampla utilização desse método, os anéis de vedação apresentam desafios consideráveis, impactando a eficiência operacional do sistema. Esses desafios serão discutidos detalhadamente a seguir.
Os desafios predominantes estão vinculados à considerável variação na fabricação dos anéis de vedação, resultando em problemas operacionais. Se os anéis forem produzidos no extremo inferior da tolerância, a vedação será frouxa, permitindo vazamentos de ar entre o O-ring e, dependendo da configuração da válvula, o cilindro ou carretel. Em contraste, anéis muito grandes aumentam significativamente o atrito, exigindo uma força de atuação considerável para mover o carretel, fenômeno conhecido como “fixação”.
Dado que o O-ring é encapsulado por três lados – pelo corpo da válvula e espaçadores – mudanças de temperatura ou contaminação podem afetar sua eficiência. A expansão do anel de vedação devido ao calor resulta em aumento do atrito, enquanto a contração pode causar vazamentos. Em operações prolongadas em temperaturas muito baixas, a vedação pode endurecer. Além disso, contaminantes como óleo de compressor podem comprometer as propriedades físicas da borracha.
O uso de O-rings e espaçadores ocupa uma parte significativa da área do carretel, limitando o espaço disponível para o fluxo de ar entre as portas. Alternativamente, aumentar o tamanho geral da válvula para evitar restrições no fluxo de ar não é viável em muitas aplicações. Esses desafios destacam a necessidade de abordagens inovadoras na concepção de carretéis para otimizar a eficiência operacional.
Carretéis Ligados de Elastômero:
Uma solução inovadora para superar os desafios apresentados anteriormente é a adoção de carretéis ligados por elastômero. Esses carretéis são construídos com um núcleo de metal ao qual é vulcanizada uma camada fina de elastômero. Após essa etapa, o revestimento passa por um processo químico de endurecimento e retificação precisa, resultando em um material de vedação com elasticidade aprimorada e propriedades de compressão excepcionais.
Essa abordagem oferece uma alternativa robusta, abordando problemas como vazamentos de ar, atrito excessivo e variações dimensionais associadas aos anéis de vedação tradicionais. A combinação do núcleo metálico com o revestimento de elastômero proporciona uma vedação mais eficiente, promovendo maior durabilidade e consistência operacional. Essa inovação destaca-se como uma solução eficaz para otimizar o desempenho das válvulas pneumáticas em diversas aplicações.
A vedação de elastômero oferece uma série de vantagens significativas em comparação com os dispositivos convencionais de O-ring.
Vedação de Elastômero em Carretéis: Benefícios Substanciais:
A implementação da vedação de elastômero em carretéis oferece vantagens significativas em comparação com os convencionais dispositivos de O-ring.
- Menos Peças Móveis, Maior Confiabilidade:
- Com um pequeno número de peças móveis, a confiabilidade é consideravelmente aprimorada.
- Revestimento de Elastômero de Precisão:
- O elastômero é aplicado finamente no carretel, endurecendo antes de ser congelado e triturado para se integrar ao corpo da válvula, garantindo uma vedação eficiente e duradoura.
- Estabilidade Dimensional:
- Mudanças dimensionais devido a flutuações de temperatura ou entrada de contaminantes têm pouco impacto na eficiência da válvula.
- Expansão e Contração Livres:
- Ao contrário dos arranjos de O-ring, a expansão ou contração do material de vedação ocorre tanto vertical quanto lateralmente, quase eliminando as forças esticcionais.
- Viabilidade de Vias Aéreas Maiores:
- Composto por um único componente, o carretel permite vias aéreas consideravelmente maiores, aumentando o fluxo de ar ou reduzindo o tamanho total da válvula.
- Redução do Desgaste e Deslocamento do Carretel:
- O perfil do carretel reduz o desgaste da vedação e minimiza o deslocamento do carretel, proporcionando maior durabilidade.
- Design Anti-Contaminação:
- O carretel e o cilindro são projetados para evitar acúmulo de contaminantes sólidos, removendo partículas pelo fluxo de ar.
- Vida Útil Estendida:
- Apesar do desgaste em escala menor, as válvulas de carretel com ligação de elastômero apresentam uma vida útil típica de cerca de 20 milhões de ciclos.
- Carretel de Aterramento em Fósforo Inoxidável e Válvula de Manga:
- Incorporando um carretel aterrado todo em metal dentro de uma luva, essas válvulas oferecem uma vida útil de mais de 100 milhões de ciclos, com um curso curto do carretel e exigindo força mínima para atuação direta do solenóide, resultando em baixo consumo de energia (1,8 Watts).