Введение

Электромеханический клапан

Электромагнитный клапан – это клапан, работающий от электромеханического привода. Электромагнитные клапаны различаются по характеристикам используемого электрического тока, силе создаваемого магнитного поля, механизму регулирования потока жидкости, а также по типу и свойствам контролируемой жидкости. Механизм может быть линейным с плунжерным приводом, с поворотным якорем или с рычажным приводом. Клапан может иметь конструкцию с двумя портами для регулирования потока или с тремя и более портами для переключения потока между ними. Несколько электромагнитных клапанов могут быть установлены вместе на коллекторе. Электромагнитные клапаны являются наиболее часто используемыми управляющими элементами в пневмо- и гидросистемах. Их функции включают в себя перекрытие, открытие, дозирование, распределение или смешивание жидкостей. Они находят применение в различных областях. Электромагнитные катушки обеспечивают быстрое и безопасное переключение, высокую надежность, длительный срок службы, хорошую совместимость материалов с рабочей средой, низкое энергопотребление управления и компактные размеры.

Операция

Существует множество вариантов конструкции клапанов. Обычные клапаны могут иметь несколько портов и каналов для протекания жидкости. Например, двухпортовый клапан имеет два порта; если клапан открыт, то эти два порта соединены, и жидкость может течь между ними; если клапан закрыт, то порты изолированы друг от друга. Если клапан открыт при отсутствии напряжения на электромагните, он называется нормально открытым (N.О.). Аналогично, если клапан закрыт при отсутствии напряжения на электромагните, он называется нормально закрытым (N.C.). Существуют также трехпортовые и более сложные конструкции. Трехпортовый клапан имеет три порта; он соединяет один порт с одним из двух других (обычно с портом подачи и выпускным портом). Электромагнитные клапаны также характеризуются принципом их работы. Небольшой электромагнит может создавать ограниченную силу. Приблизительная зависимость между требуемой силой электромагнита Fs, давлением жидкости P и площадью отверстия A для электромагнитного клапана прямого действия выглядит следующим образом:

где d – диаметр отверстия. Типичная сила электромагнита может составлять. Примером может служить газ низкого давления (например,) с небольшим диаметром отверстия (например, для площади отверстия и приблизительной силы). Если требуемая сила достаточно мала, электромагнит способен непосредственно приводить в действие основной клапан. Такие клапаны просто называют электромагнитными клапанами прямого действия. При подаче электроэнергии электрическая энергия преобразуется в механическую, физически перемещая преграду, чтобы либо перекрыть поток (если это N.О.), либо открыть его (если это N.C.). Пружина часто используется для возврата клапана в исходное положение после отключения питания. Клапаны прямого действия полезны своей простотой, хотя и требуют относительно больше энергии, чем другие типы электромагнитных клапанов. Если давление жидкости высокое, а диаметр отверстия большой, электромагнит может быть недостаточно сильным для приведения клапана в действие. Для решения этой проблемы можно использовать конструкцию электромагнитного клапана с пилотным управлением. Для сравнения, промышленный 1/2-дюймовый клапан, рассчитанный на давление 10 000 psi и предназначенный для систем на 12, 24 или 120 В переменного тока в приложениях с высоким давлением жидкости и криогенными жидкостями, имеет пусковой ток 300 VA и удерживающую мощность 22 VA. Ни один из этих клапанов не указывает минимальное давление, необходимое для удержания в закрытом состоянии при отсутствии питания.

Пилотные

Хотя существует несколько вариантов конструкции, ниже приведено 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 диаграмме справа показана конструкция базового клапана, управляющего потоком воды в данном примере. Верхняя половина демонстрирует клапан в закрытом состоянии. Входной поток воды под давлением поступает в точку А. B – эластичная диафрагма, над которой расположена пружина, толкающая ее вниз. В центре диафрагмы имеется отверстие, через которое протекает небольшое количество воды. Эта вода заполняет полость С, обеспечивая примерно одинаковое давление по обе стороны диафрагмы. Однако вода под давлением в полости С действует на значительно большую площадь диафрагмы, чем вода во входе A. Согласно уравнению, сила, действующая из полости С вниз, больше, чем сила, действующая из входа A вверх, и диафрагма остается закрытой. Диафрагма B будет оставаться закрытой до тех пор, пока небольшой дренажный проход D не будет заблокирован штифтом, управляемым электромагнитом E. В нормально закрытом клапане подача электрического тока на электромагнит поднимет штифт посредством магнитной силы, и вода из полости С будет отводиться через проход D быстрее, чем она сможет пополниться через отверстие. Уменьшение количества воды в полости С приводит к снижению давления на этой стороне диафрагмы и пропорциональному уменьшению силы. Когда сила, действующая вниз из полости С, становится меньше силы, действующей вверх из входа A, диафрагма поднимается, открывая клапан. Теперь вода свободно течет из A в F. Когда электромагнит отключается и проход D закрывается, вода снова накапливается в полости С, закрывая диафрагму, как только приложенная вниз сила станет достаточной. Процесс для нормально открытого клапана с пилотным управлением противоположен. В этом случае штифт удерживается в открытом положении пружиной, проход D открыт, и полость С не может заполниться достаточно, чтобы открыть диафрагму B и обеспечить беспрепятственный поток. Подача электрического тока на электромагнит толкает штифт в закрытое положение, блокируя проход D, позволяя воде накапливаться в полости С и, в конечном итоге, закрывая диафрагму B. Таким образом, электромагнитный клапан с пилотным управлением можно представить как два клапана, работающих совместно: прямого действия, который выполняет роль "мозга", направляя "мускулы" гораздо более мощного главного клапана, который приводится в действие пневматически или гидравлически. Именно поэтому клапаны с пилотным управлением не будут работать без достаточной разницы давлений между входом и выходом – "мускулы" должны быть достаточно сильными, чтобы преодолеть сопротивление диафрагмы и открыть ее. Если давление на выходе превысит давление на входе, клапан откроется независимо от состояния электромагнита и пилотного клапана.

Материалы

Корпус клапана должен быть совместим с рабочей жидкостью; обычно используются латунь, нержавеющая сталь, алюминий и пластик. Уплотнения также должны быть совместимы с рабочей жидкостью. Для упрощения вопросов герметизации, штуцер, сердечник, пружины, кольцо экранирования и другие компоненты часто контактируют с рабочей жидкостью, поэтому они также должны быть совместимы. Эти требования создают некоторые специфические проблемы. Трубка сердечника должна быть немагнитной, чтобы поле соленоида могло проходить к штуцеру и сердечнику. Для штуцера и сердечника необходим материал с хорошими магнитными свойствами, например, железо, но железо подвержено коррозии. Нержавеющие стали могут быть использованы, поскольку они доступны как в магнитных, так и в немагнитных вариантах. 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 430F (магнитная нержавеющая сталь) для сердечника и штуцера.

История и коммерческое развитие

В 1910 году ASCO Numatics стала первой компанией, разработавшей и изготовившей соленоидный клапан.