Что такое электромагнитные клапаны?

Все об электромагнитных клапанах

Электромагнитные клапаны представляют собой клапаны с электрическим управлением, в которых используется привод в виде электромагнита для изменения состояния клапана с закрытого на открытое.

Катушка в приводе создает магнитное поле, которое тянет или толкает поршень, контролирующий прохождение жидкости через корпус клапана.

Электромагнитные клапаны преобразуют электрическую энергию в механическое движение, которое приводит в движение клапанный механизм и обеспечивает средства, с помощью которых разработчики могут автоматизировать работу клапанов.

Эта возможность снижает потребность персонала в ручном закрытии или открытии клапанов в рамках производственного процесса.

Использование автоматизированного управления клапаном является ключом к конструкции многих машин, где требуются высокоскоростные операции переключения, выходящие за рамки возможностей, предоставляемых ручным управлением.

В этом руководстве будет представлен обзор информации, относящейся к соленоидным клапанам, включая их основные функции, доступные типы, важные характеристики, которые их определяют, а также рекомендации по выбору соленоидного клапана.

Как работает электромагнитный клапан?

Электромагнитные клапаны находят применение в там, где существует потребность в дистанционном управлении или автоматизации потока жидкости через систему.

Когда речь идет о жидкости, этот термин может применяться к любой жидкости или газу и обычно представляет собой вещества, которые проходят по трубопроводу или трубке, например, воздух, вода, пар, хладагент, масло и природный газ.

По большей части соленоидные клапаны функционируют как бинарные (вкл/выкл) устройства и реже используются для измерения или точного регулирования расхода, в отличие от некоторых других типов клапанов, таких как игольчатые клапаны.

Электромагнитные клапаны состоят из нескольких стандартных компонентов, некоторые из которых имеют сходство с другими типами клапанов. Первичный корпус или корпус клапана является основной частью клапана. Корпус клапана содержит впускное отверстие, через которое поступает жидкость или газ из системы, в которой установлен клапан.

Корпуса клапанов изготавливаются из материалов нескольких различных типов, выбор которых основан на пригодности материала для обработки среды, протекающей через клапан, а также на его характеристиках, таких как коррозионная активность. Специальные материалы для корпусов электромагнитных клапанов включают бронзу, нержавеющую сталь и пластик.

Частью корпуса клапана также является один или несколько выпускных портов, количество которых будет зависеть от конкретной конфигурации электромагнитного клапана. Среда в клапане может быть направлена ​​к одному или нескольким из этих выпускных отверстий под действием клапана.

В корпусе клапана также находится соленоид, который представляет собой электрический механизм управления клапаном. Соленоид представляет собой катушку из проволоки, которая создает магнитное поле, когда через нее проходит электрический ток.

Этот ток подается на соленоид через набор электрических управляющих проводов или электрический разъем, который подает питание на клапан от цепи управления и источника питания. Многие конструкции электромагнитных клапанов также имеют пружинный механизм, который давит на плунжер клапана.

Эта пружина служит механическим возвратом, который удерживает клапан в открытом или закрытом положении при отсутствии подачи питания, в зависимости от конструкции клапана. Поршень перемещается, закрывая отверстие, когда клапан закрыт.

Отверстие представляет собой отверстие, которое соединяет впускной порт с выпускным портом клапана. В дополнение к этим компонентам дополнительные уплотнения клапана и седла в корпусе клапана предотвращают утечку жидкости между впускным и выпускным отверстиями, когда клапан находится в закрытом положении.

Электромагнитные клапаны дополнительно идентифицируются по их состоянию по умолчанию, т. е. по тому, как клапан настроен на работу в случае, когда на устройство не подается питание (т. е. на клапан не подается питание). Состояние по умолчанию также называется остальное состояние.

Два возможных состояния по умолчанию называются нормально открытыми (НО) и нормально закрытыми (НЗ). Для соленоидных клапанов, которые обозначены как нормально открытые, плунжер клапана или диафрагма втягивается, когда на соленоид не подается электрическое питание — это состояние означает, что клапан может пропускать среду между портами. Для нормально открытых клапанов приложение мощности к соленоиду закроет клапан и перекроет поток жидкости.

Для электромагнитных клапанов, которые нормально закрыты, существует обратная ситуация. При отсутствии подачи питания на устройство клапан блокирует движение жидкости, а приложение мощности, которая активирует соленоид, затем открывает клапан и позволяет среде течь.

Решение о том, нужен ли нормально открытый или нормально закрытый электромагнитный клапан, будет зависеть от области применения. В то же время проектировщики должны учитывать влияние потери мощности на процесс, если клапан вернется в состояние по умолчанию.

Во многих случаях нормально закрытые (НЗ) клапаны являются желательным выбором и предпочтительнее, поскольку они потенциально перекрывают поток жидкости при отсутствии питания. Однако не все ситуации диктуют такой подход.

Электромагнитные клапаны работают по принципу электромагнетизма. Внутри клапана находится подвижный плунжер, изготовленный из ферромагнитного материала. (Ферромагнитные материалы — это материалы, которые будут реагировать в присутствии магнитного поля.)

Когда на соленоид на клапане подается питание, пропуская через него электрический ток, создается магнитное поле. Затем поршень взаимодействует с магнитным полем, в результате чего он притягивается к катушке или от нее. Когда плунжер движется, это движение приводит к открытию или закрытию клапана, как если бы он был физически открыт или закрыт оператором, перемещающим рычаг или маховик на клапане.

Типы электромагнитных клапанов

Существует несколько способов характеристики электромагнитных клапанов, один из которых основан на основных средствах, с помощью которых они работают. Такой подход приводит к трем распространенным типам электромагнитных клапанов:

• Электромагнитные клапаны прямого действия (или прямого действия)
• Электромагнитные клапаны непрямого (или пилотного) действия
• Электромагнитные клапаны полупрямого действия

Электромагнитные клапаны прямого действия (или прямого действия)

Электромагнитные клапаны прямого действия или электромагнитные клапаны прямого действия являются одним из самых простых и наиболее распространенных типов электромагнитных клапанов.

В электромагнитных клапанах прямого действия движение плунжера непосредственно закрывает или открывает отверстие внутри клапана, тем самым блокируя или пропуская среду через клапан путем прямого действия.

Эти клапаны полагаются на мощность соленоида исключительно для управления потоком жидкости и, как следствие, не требуют минимального рабочего давления для работы клапанов.

Электромагнитные клапаны прямого действия способны управлять жидкостями с давлением от 0 бар до максимального номинального значения устройства.

Электромагнитные клапаны непрямого (или пилотного) действия

Второй тип электромагнитных клапанов, известный как электромагнитные клапаны непрямого действия (также называемые пилотными клапанами или электромагнитные клапаны с сервоприводом) работают, используя перепад давления жидкости для открытия и закрытия клапана.

Из-за такой конструкции электромагнитные клапаны непрямого действия требуют, чтобы контролируемая жидкость демонстрировала минимальное значение давления выше 0 бар. В электромагнитных клапанах непрямого действия мембрана или диафрагма отделяют входное и выходное отверстия друг от друга.

Наличие этой диафрагмы приводит к тому, что корпус клапана разделен на верхнюю и нижнюю камеры. В мембране есть небольшое отверстие, функция которого состоит в том, чтобы позволить верхней камере заполниться жидкостью из нижней камеры, а также уравнять давление между камерами.

Когда клапан находится в закрытом состоянии, давление жидкости, присутствующей в верхней камере, а также сила, создаваемая пружиной, давит на диафрагму, удерживает клапан в закрытом положении и герметизирует мембрану относительно седла клапана, изолируя впускное и выпускное отверстия клапана.

Небольшой канал соединяет верхнюю камеру клапана с портом низкого давления. Этот порт управляет открытием и закрытием канала и управляется мощностью, подаваемой на соленоид. В закрытом положении порт низкого давления остается закрытым соленоидом, который служит для удержания жидкости в верхней камере клапана.

Когда требуется открыть клапан, на соленоид подается ток. Подача питания на соленоид приводит к открытию пилотного порта, что приводит к падению давления в верхней камере.

Это перепад давления в верхней камере по сравнению с нижней камерой, который приводит к тому, что мембрана поднимается от отверстия клапана, в то время как пружина, удерживающая мембрану на седле клапана, сжимается за счет перепада давления.

Эта конструкция позволяет управлять потоком с более высоким давлением с помощью небольшого соленоида и пилотного порта низкого давления.

Электромагнитные клапаны непрямого действия используются в приложениях, где требуется управление высокой скоростью потока, при условии, что в системе имеется достаточный перепад давления для поддержки этой методологии работы. По характеру этой конструкции регулирование потока может осуществляться только в одном направлении только с этим типом клапана.

Электромагнитные клапаны полупрямого действия

Третий тип работы электромагнитных клапанов может быть реализован за счет комбинации некоторых свойств типов клапанов прямого и непрямого действия, которые обсуждались ранее.

Преимущество так называемых соленоидных клапанов полупрямого действия состоит в том, что они могут функционировать при давлении от 0 бар, а также могут работать с приложениями с высоким расходом. Полупрямые электромагнитные клапаны, также известные как электромагнитные клапаны с вспомогательным подъемом, функционально аналогичны по конструкции электромагнитным клапанам непрямого действия.

Они имеют конструкцию, состоящую из верхней камеры и нижней камеры, разделенных гибкой мембраной. Как и в случае клапана непрямого действия, мембрана содержит небольшое отверстие, позволяющее жидкости заполнять верхнюю камеру и выравнивать давление.

Закрытый электромагнитный клапан полупрямого действия

Основное различие, которое отличает соленоидные клапаны полупрямого действия от соленоидных клапанов непрямого действия, заключается в том, что соленоидный плунжер в соленоидных клапанах полупрямого действия прикреплен к положению диафрагмы и напрямую управляет положением диафрагмы, в отличие от использования пилотного клапана для управления жидкостью в верхнем клапане. камере, как в случае с непрямым клапаном.

В закрытом положении площадь поверхности верхней камеры превышает площадь нижней камеры, что позволяет диафрагме плотно прилегать к седлу клапана и блокировать поток жидкости между впускным и выпускным отверстиями. Чтобы открыть клапан, подача питания на соленоид приводит к тому, что плунжер втягивается в центр катушки соленоида.

Из-за прямого крепления мембраны к плунжеру это движение плунжера поднимает диафрагму с седла клапана. Пока это происходит, движение плунжера также открывает проход между верхней камерой и выпускным отверстием. Открытие этого прохода имеет дополнительный эффект снижения давления в верхней камере.

По мере того как давление в верхнем переходе падает, результирующий перепад давления дополнительно заставляет диафрагму двигаться вверх и способствует открытию клапана и пропусканию жидкости из впускного порта в выпускной порт. Чтобы закрыть клапан, ток соленоида отключается, что заставляет плунжер опускаться и давить на диафрагму, чему способствует сила возвратной пружины в соленоиде.

Когда плунжер опускается, порт, соединяющий верхнюю камеру с выпускным отверстием, закрывается, что вызывает повышение давления в верхней камере клапана. Это повышение давления способствует опусканию диафрагмы до тех пор, пока она снова не упрется в седло клапана.

Конфигурации электромагнитных клапанов

Различные конфигурации электромагнитных клапанов представлены с использованием системы нумерации, состоящей из двух значений, например 2/2, 3/2 или 4/2. В этой двухчисловой системе представления первое значение указывает количество портов клапана, а второе значение обозначает количество положений клапана или доступных состояний переключения.

Под этим обозначением электромагнитный клапан 2/2 представляет собой клапан, содержащий 2 порта и 2 положения, а электромагнитный клапан 4/3 обозначает клапан, содержащий 4 порта и 3 положения. Этот тип системы нумерации используется во многих типах направляющих регулирующих клапанов и помогает последовательно понять, как сконфигурирован конкретный клапан.

Эта система цифровых обозначений сочетается с набором стандартных символов или диаграмм, которые служат графическим схематическим представлением конфигурации клапана.

На этих диаграммах подробно показано количество положений, а также состояние клапана в исходном положении (невключенное состояние) и в рабочем положении (включенное состояние).

На схеме конфигурации клапана количество показанных квадратов представляет количество положений клапана. По определению, квадрат в правой части диаграммы показывает состояние покоя клапана, а квадрат в левой части диаграммы представляет клапан в его активированном или рабочем состоянии.

На схеме также показаны такие символы, как стрелки, которые используются для обозначения направления потока жидкости и других внешних подключений к клапану, например, к трубопроводу. С

хемы также содержат условное представление способа срабатывания как пилотного, так и возвратного действия. По соглашению пилотный механизм показан в левой части рисунка, а возвратный механизм — в правой части рисунка.

Например, на рисунке ниже графически представлен 2-ходовой 2-позиционный нормально закрытый электромагнитный клапан с управляющим соленоидом и пружинным возвратом:

Двухходовой двухпозиционный нормально закрытый (НЗ) электромагнитный клапан с электромагнитным пилотным клапаном и пружинным возвратом.

Когда конфигурации электромагнитных клапанов становятся более сложными, сложность диаграмм возрастает, поскольку возникает необходимость добавления дополнительных деталей, таких как номера портов.

Ниже на рисунке показан набор примеров графического представления различных конфигураций 3-ходового 2-позиционного электромагнитного клапана. Клапан этого типа может найти применение в работе гидравлического цилиндра или функционировать в качестве регулятора жидкости для переключения между двумя контурами:

Различные схемы условных обозначений трехходового двухпозиционного электромагнитного клапана.

Технические характеристики и характеристики электромагнитных клапанов

Электромагнитные клапаны определяются с использованием нескольких ключевых параметров и атрибутов, которые относятся к конфигурации клапана и его рабочим характеристикам.

Ниже приводится сводка часто цитируемых спецификаций электромагнитных клапанов. Вы должны учитывать, что эти параметры могут различаться у разных производителей и поставщиков клапанов, поэтому от поставщика к поставщику могут существовать различия в представлении. Представленные ниже данные должны служить общим показателем того, что необходимо учитывать при поиске электромагнитного клапана у поставщика.

• Механизм срабатывания клапана – отражает средства, с помощью которых изменяется положение клапана или управляется клапаном, например, соленоид прямого действия.
• Конфигурация клапана – отражает количество портов, количество состояний или положений переключения и определенное состояние покоя для клапана, например, 3/2 нормально закрытый (NC).
• Материал корпуса — определяет материал, из которого изготовлен корпус клапана, это может быть алюминий, латунь, бронза, нержавеющая сталь или инженерный пластик, и это лишь некоторые из возможных вариантов.
• Тип среды — определяет характер конкретной жидкости (жидкость или газ), с которой клапан может работать без каких-либо вредных воздействий. Примеры типов сред включают аммиак, криогенную жидкость, воздух, жидкое топливо, сжиженный газ пропан (СНГ), природный газ, кислород, пар или воду.
• Размер порта — отражает размер впускного и выпускного портов клапана, представленный либо в имперских единицах, таких как дюймы, либо в метрических единицах, таких как миллиметры.
• Тип порта — определяет желаемый тип порта для клапана, который может быть с резьбой (NPT), штуцерным соединением или фланцевыми фитингами, и это лишь некоторые из доступных вариантов.
• Рабочее напряжение — указывает как величину, так и тип электрического управляющего сигнала, который используется для подачи питания на соленоид клапана. Электромагнитные клапаны доступны с широким диапазоном рабочих напряжений переменного и постоянного тока, которые можно использовать для удовлетворения различных условий применения.
• Рабочая частота — для переменного напряжения частота представляет собой количество циклов переменного тока в секунду, подаваемого на соленоид, обычно указывается в герцах (например, 60 Гц).
• Коэффициент расхода — коэффициент расхода или Cv клапана измеряет способность клапана пропускать через себя поток жидкостей или газов. Стандартное определение коэффициента расхода состоит в том, что он представляет собой объем воды (в галлонах США), который будет проходить через клапан при температуре 60 ^o F в течение одной минуты, когда перепад давления на клапане составляет 1 psi. клапан (перепад давления на выходе-входе). Большие значения коэффициента потока отражают большее количество потока.
• Максимальное номинальное давление – это максимальное значение давления, с которым может работать клапан, которое может переключаться под управлением цепи соленоида.
• Минимальное рабочее давление – отражает минимальное давление, которое должно существовать в системе для эффективной работы клапана. В то время как многие клапаны прямого действия могут работать при давлении 0 бар, для клапанов непрямого действия может потребоваться наличие минимального давления, которое можно использовать для облегчения срабатывания клапана.
• Применение — указывает предполагаемое использование или рынок сбыта клапана, например, химическая промышленность, продукты питания и напитки, медицина и наука о жизни, нефть и газ или авиация и аэрокосмическая промышленность. Наличие определения предполагаемой отрасли или варианта использования может оказаться полезным при выборе клапана, поскольку понимание того, что отрасль может помочь выявить дополнительные требования или спецификации, обусловленные этими условиями эксплуатации.

Дополнительные типы электромагнитных клапанов

В более раннем обзоре типов электромагнитных клапанов были определены основные типы, отражающие их метод работы, например, прямого действия или непрямого действия. Есть несколько дополнительных типов соленоидных клапанов, которые важно включить, и они описаны здесь.

Блокирующие электромагнитные клапаны

Блокирующие электромагнитные клапаны использовать фиксирующий соленоид, который позволяет клапану сохранять заданное положение (открытое или закрытое) даже при отключении питания от соленоида. Для этого к узлу якоря добавляется постоянный магнит, который удерживает плунжер в нужном положении после того, как на соленоид первоначально подается питание.

Этот магнит позволяет клапану удерживать это состояние, не требуя постоянного протекания тока в катушке соленоида для создания магнитного поля и удерживания плунжера клапана в нужном положении.

Преимущество фиксирующих электромагнитных клапанов состоит в том, что они снижают энергопотребление приложения по сравнению с использованием типичного электромагнитного клапана, который зависит от катушки, находящейся под напряжением, для поддержания состояния клапана.

Как только произошло запирание, клапан будет удерживать свое положение в этом состоянии при отсутствии тока, протекающего к катушке соленоида. Устройство можно «разблокировать», просто поменяв полярность тока катушки.

Использование импульса обратного тока создает достаточный магнитный поток, чтобы нейтрализовать поток постоянного магнита и, следовательно, заставит плунжер вернуться в исходное положение.

В приложениях, где необходимо ограничить общее энергопотребление оборудования или системы, например, в случаях с питанием от батареи, хорошо подходят фиксирующие электромагнитные клапаны.

Однако при их использовании необходимо учитывать другие условия окружающей среды и механические условия, которым может подвергаться клапан, поскольку фиксирующие электромагнитные клапаны требуют стабильных условий эксплуатации.

Например, для оборудования, которое должно работать в условиях высоких уровней механической вибрации или ударов, может потребоваться избегать использования фиксирующих электромагнитных клапанов, поскольку эти напряжения могут привести к тому, что плунжер клапана вырвется из-под постоянного магнита, удерживающего его на месте, что приведет к клапан возвращается из запертого в незапертое состояние или приводит к тому, что клапан не запирается при подаче начального импульса тока.

Электромагнитные поворотные клапаны

Соленоидные поворотные клапаны позволяют преобразовывать электрическую энергию, подаваемую на катушку соленоида, во вращательное движение, а не в прямолинейное движение, как описано ранее с движением плунжера в соленоид.

Есть несколько механизмов, которые можно использовать для выполнения этого преобразования, один из таких подходов использует набор шарикоподшипников, которые перемещаются по наклонным дорожкам качения.

Когда на катушку подается питание, плунжер или узел якоря начинает притягиваться к магнитному полю катушек соленоида и вращается за счет углового смещения, определяемого движением шарикоподшипников, когда они перемещаются по своим дорожкам качения.

Вращающиеся соленоиды идеально подходят для приведения в действие электромагнитных клапанов, поскольку многие клапаны по необходимости требуют вращательного движения штока клапана для открытия и закрытия клапана.

Эти клапаны могут быть доступны в бинарной конструкции (открыто-закрыто), где подача питания на вращающийся соленоид приводит к полному изменению состояния (закрытое на открытое или наоборот).

Они также доступны в так называемых конструкциях с пропорциональным управлением, в которых существует пропорциональная зависимость между величиной приложенного тока и угловым смещением и крутящим моментом вращающегося соленоида.

В этой статье представлен обзор электромагнитных клапанов, включая то, что они из себя представляют, как они работают, различные типы, конфигурации, а также их характеристики и характеристики.