As válvulas são componentes essenciais em todo sistema pneumático, fornecendo um método pelo qual o fluxo de ar de ou para outros dispositivos podem ser controlado com precisão.
Neste estudo apresentaremos uma breve discussão onde examinaremos as características entre os dois tipos de válvulas mais comuns disponíveis no mercado, que são Poppet Valve ( Válvula de Assento ou Gatilho), o outro tipo é a tipo Spool Valve (Válvula Carretel), aproveitando ainda para apresentar as diferenças técnicas utilizadas que permite melhorar o desempenho e confiabilidade.
Características básicas
Antes de inicia o estudo precisamos entender avaliar as principais características que esperamos nesse tipo de válvulas devem atender.
Com essa ótica listamos os seguintes itens gerais:
i)Tempo de vida: deve apresentar uma vida operacional longa, sob uma variedade de condições.
ii) Tempos de resposta rápidos e constantes.
iii) Atender as características fluxo conforme cada aplicação.
iv) Facilidade de manutenção.
Outro fator que deve ser considerado é que as válvulas fornecer métodos eficientes de controle de ar da entrada para saída sem que ocorra vazamentos internos e consumir o mínimo de energia possível para realização de seu movimento do dispositivo de controle de ar interno.
Quanto as características das válvulas além do já apresentado, os mecanismos interno(s) que direciona(m) o fluxo interno de ar devem ser projetados de tal forma que as além disso, o mecanismo que direciona o fluxo de ar deve ser construído de modo que as forças de atrito sejam minimizadas e um local positivo seja fornecido em cada posição de operação. Finalmente, é desejável que o movimento dos componentes internos não remova a lubrificação interna.
Tipos de válvula
Existem dois tipos principais de válvula: Poppet(gatilho) e Spool (carretel). Estes podem ser ainda classificados pelo método de atuação: mecânico ou piloto de ar e solenóide.
Válvulas Poppet (Gatilho ou válvula de assento)
As válvulas de poppet( válvula de assento) incorporam um êmbolo operado manualmente ou mecanicamente, que normalmente é mantido na posição fechada por uma mola ou por pressão de ar. Pressionar o êmbolo abre a válvula e permite que o ar flua da entrada para saída.
Consiste em um orifício, geralmente redondo ou oval(sede) , e um plugue cônico, geralmente em forma de disco na extremidade de um eixo(obturador), também chamado de embolo obturador. A porção do orifício onde o obturador se encontra com ele é chamada de “sede” ou “sede da válvula”. O eixo guia a parte do obturador deslizando através de uma guia de válvula. Em aplicações de exaustão, um diferencial de pressão ajuda a vedar a válvula e em válvulas de admissão um diferencial de pressão ajuda a abri-la
Uma vedação é obtida entre o êmbolo e a vedação da válvula por meio de discos planos e arruelas, O-rings ou fechos esféricos.
Tipo de controle: Ação direta
O campo magnético de força é usado na válvula aberta. Não há outra fonte de energia que inclua o meio
Posições Estáveis:
A válvula tem a posição definida conforme à mola tem a função de manter o êmbolo. Quando o sinal elétrico é aplicado a válvula é chaveada. uma vez que o sinal elétrico estiver ausente, a válvula volta original.
Posição original : Normal Fechada
Quando a válvula estiver desenergizada ela irá se manter em sua posição original fechada
Numero de portas e posições
Olhando na figura acima apresentada podemos verificar que a válvula possui 3 portas que permitem ser conectadas ao processo. Quanto a posição neste caso a válvula pode assumir 2 posições sendo uma a posição com energia (permite a passagem de fluxo da porta 2 para porta 1). A outra posição é a posição de fechada, neste caso quando a energia é retirada da bobina a válvula vai para posição original.
Funcionamento
O campo de geração de corrente elétrica que é usado levanta o êmbolo do tubo do operador. Sem corrente, o plugue é empurrado para baixo pela mola mecânica. Em uma válvula de 3 vias, o obturador tem duas vedações = válvula na parte inferior e na parte superior. Eles são feitos em verde
O suprimento de pressão está conectado à porta 1. A força da mola empurra o disco da válvula na sede e fecha a porta 1. Essa força deve ser maior do que a força do meio. Na posição básica, a válvula está aberta da porta 2 a 3. (Esta é a posição básica normal de uma válvula normalmente fechada de 3/2 vias.) Assim que corrente elétrica suficiente é aplicada à bobina, o disco da válvula é levantado da sede da válvula da porta 1. Simultaneamente, um segundo disco da válvula fecha a sede entre as portas 2 e 3. Portanto, o meio está livre para fluir entre 1 e 2. A rota entre 2 e 3 está bloqueada. Assim que a corrente elétrica estiver ausente, a válvula volta para a posição básica (1 fechada, aberta de 2 a 3). Importante! Válvulas solenóides de ação direta usam apenas a energia elétrica fornecida para levantar o êmbolo contra a força da mola mecânica. Portanto, esse tipo é usado principalmente para válvulas com orifícios de tamanho menor. A força da mola deve ser maior que a força do meio abaixo do assento e a força gerada da bobina maior que a da mola.
Principais vantagens das válvulas tipo poppet (tipo assento):
- Simplicidade;
- Poucas peças móveis;
- Auto-limpante (utilizam o efeito de purga de fluxo para limpeza);
- resistente a contaminação;
- Requerem pouca manutenção;
- Alta vazão em espaço reduzido;
- Baixa fricção;
- resposta rápidas;
- Baixo custo;
Desvantagens
Necessidade de força elevada;
Pressão do processo pode atuar quando a força for retirada;
São válvulas que embora tenham curso de abertura e fechamento pequeno (curto), apenas podem ser operada em duas posições sendo aberta ou fechada, suas características difícil manter a válvula em uma posição intermediária.
As válvulas de assento não são adequadas para operações de comutação complexas, onde uma combinação de entradas e saídas é necessária. Eles também podem ser afetados por flutuações na pressão de entrada, o que aumenta ou diminui a força de atuação necessária para abrir a vedação da válvula.
Válvulas de Spool (tipo carretel)
Em essência, uma válvula de carretel usa uma haste ou carretel com perfil especial, deslizando longitudinalmente dentro do centro da válvula, para alternar o fluxo de ar entre as diferentes portas de entrada e saída.
A direção do fluxo de ar é perpendicular à do carretel. A bobina pode ser movida manualmente ou por meio de um piloto de ar ou solenóide operado eletricamente.
As válvulas de carretel oferecem um nível consideravelmente mais alto de funcionalidade do que as válvulas de gatilho e não são afetadas por mudanças na pressão operacional, permitindo que os tempos de resposta permaneçam constantes.
As válvulas de carretel podem fornecer um método altamente eficaz de controlar o fluxo de ar de e para outros dispositivos pneumáticos. O nível de desempenho ou eficiência que pode ser alcançado, entretanto, está diretamente relacionado ao projeto e fabricação do próprio carretel. Como resultado, uma série de variações foram desenvolvidas.
Como funciona uma válvula de carretel?
Imagine o exemplo de extensão de um cilindro pneumático usando uma válvula de carretel.
O suprimento de ar pneumático está conectado à porta de entrada 1.
A porta 2 é conectada à conexão de extensão do cilindro pneumático.
A porta 3 não está conectada porque é a porta de exaustão.
No estado normal, sem o atuador sendo operado, nada acontecerá porque o carretel está bloqueando fisicamente o fluxo de ar na porta 1 e o cilindro é recolocado porque as portas 2 e 3 estão conectadas devido à posição do carretel.
Assim, qualquer ar que já esteja dentro do sistema escaparia para a atmosfera pela porta de exaustão.
Vamos considerar esta a “posição normal” ou “posição de repouso”.
Agora imagine que operamos o atuador.
Veríamos as mudanças de posição do carretel e o cilindro se estende.
Isso ocorre porque o carretel mudou de posição desbloqueando a porta 1 e, simultaneamente, bloqueando a porta 3, resultando em permitir o fluxo de ar da porta 1 para a porta 2 enquanto bloqueia a exaustão.
Isso é conhecido como nossa “posição de trabalho”.
O cilindro permanecerá estendido até que o carretel seja movido de volta à posição normal, seja por meio de outro atuador na extremidade oposta da válvula ou por um retorno de mola interna.
Em nosso exemplo, este tipo de válvula seria conhecido como válvula 3/2 (três por dois) porque temos 3 portas e 2 posições de carretel.
Os fatores críticos que afetam o desempenho da válvula são, portanto, os seguintes:
i) Fricção entre a bobina e o cano.
ii) A força necessária para mover a bobina.
iii) O vazamento de ar ao redor da bobina. Em particular, no ponto onde o carretel sela cada abertura da porta.
iv) O efeito da contaminação.
Carretéis de O-ring
Tradicionalmente, os carretéis são fabricados em aço inoxidável ondulado ou alumínio torneado, com anéis de borracha nitrílica sendo encaixados em ranhuras no carretel, com espaçadores adicionados para mantê-los em posição, ou dentro de gaiolas de plástico ou metal montadas na face interna do cilindro.
Em cada caso, entretanto, os anéis de vedação criam diversos problemas.
Os problemas mais comuns estão relacionados à ampla faixa de tolerância dentro da qual os anéis de vedação são frequentemente fabricados. Em um extremo, isso resultará em uma vedação muito frouxa, com má localização, permitindo que o ar vaze entre o O-ring e, dependendo do tipo de válvula, o cilindro ou o carretel;
inversamente, se o O-ring for muito grande, ele aumentará dramaticamente o nível de atrito e, portanto, a força de atuação necessária para mover o carretel. (O termo comumente aplicado neste contexto é “fixação”).
Como o O-ring está contido em três lados, pelo corpo da válvula e por espaçadores, mudanças de temperatura ou contaminação também podem afetar sua eficiência. O anel de vedação pode se expandir, levando a um aumento no atrito, ou se contrair, resultando em vazamento.
A operação contínua em temperaturas muito baixas também fará com que a vedação endureça. As características físicas da borracha se deterioram de maneira semelhante se houver contaminantes, como óleo de compressor, no sistema de ar.
O uso de O-rings e os vários espaçadores, ou outros mecanismos projetados para mantê-los em posição, representam uma proporção significativa da área do carretel disponível, limitando assim a quantidade de espaço disponível para o fluxo de ar entre as portas.
A alternativa ao fluxo de ar restrito é aumentar o tamanho geral da válvula, o que em muitas aplicações é uma solução inaceitável.
Carretéis ligados de elastômero
Para superar muitos desses problemas, foram desenvolvidas bobinas ligadas por elastômero. Eles compreendem um núcleo de metal, ao qual uma fina camada de elastômero é vulcanizada.
O revestimento é então endurecido quimicamente e retificado até uma tolerância fina, produzindo um material de vedação com elasticidade superior e propriedades de compressão.
A vedação de elastômero fornece uma série de vantagens significativas em relação aos dispositivos convencionais de O-ring.
Há apenas um pequeno número de peças móveis, então a confiabilidade é consideravelmente melhorada. Além disso, o elastômero é revestido de forma fina, aplicando-o no carretel e permitindo que ele endureça, antes de ser congelado e triturado para combinar com o corpo da válvula.
Mudanças dimensionais, devido a flutuações de temperatura ou entrada de contaminantes, portanto, têm pouco efeito na eficiência da válvula.
E, ao contrário do arranjo de O-ring, o material de vedação não é restrito em nenhuma dimensão, de modo que a expansão ou contração ocorre tanto vertical quanto lateralmente. As forças esticcionais são, portanto, quase eliminadas.
Como o carretel compreende um único componente, é possível tornar as vias aéreas consideravelmente maiores, aumentando assim o fluxo de ar ou reduzindo o tamanho total da válvula.
Além disso, o perfil do carretel é tal que não é necessário que os sulcos de vedação atravessem totalmente a sua respectiva abertura de porta antes de ser alcançado o fluxo de ar ideal. Consequentemente, o deslocamento do carretel e o desgaste da vedação são reduzidos.
Finalmente, o carretel e o cilindro são projetados de forma que não haja ranhuras ou buracos nos quais os contaminantes sólidos possam se acumular; partículas que entram na válvula sendo removidas pelo fluxo de ar.
Embora as válvulas de carretel com ligação de elastômero ofereçam muitas vantagens sobre os dispositivos convencionais de O-ring, elas ainda estão sujeitas ao desgaste, embora em uma escala muito menor, com uma vida útil típica de cerca de 20 milhões de ciclos
Carretel de aterramento de fósforo inoxidável e válvula de manga
As válvulas que incorporam um carretel aterrado todo em metal, colocado dentro de uma luva, fornecem uma vida útil de mais de 100 milhões de ciclos. Talvez tão importante quanto, eles têm um curso excepcionalmente curto do carretel e requerem força mínima para mover o carretel. Isso permite a atuação direta do solenóide, com consumo de energia tão baixo quanto 1,8 Watts.
Festo