Supapă proporțională

O supapă proporțională este o supapă reglabilă continuu în sistemele hidraulice și pneumatice, care își modifică secțiunea transversală de deschidere în mod continuu și proporțional la un semnal electric de intrare. Spre deosebire de supapele de comutare, care se modifică numai între stările „deschis” și „închis”, supapele proporționale permit orice poziții intermediare și, prin urmare, controlul precis al presiunii, debitului sau poziției în sistemele hidraulice.

Principiu funcțional și design

În centrul unei valve proporționale se află solenoidul proporțional. Acesta convertește un semnal electric, de obicei un curent între 0 și 1600 mA sau o tensiune între 0 și 10 V, într-o forță sau mișcare mecanică proporțională. Modul de funcționare de bază se bazează pe echilibrul dintre forța magnetică și contraforță, de obicei un arc.

Atunci când este dezenergizat, resortul împinge bobina sau conul supapei în poziția sa inițială. Dacă bobina solenoidului este activată, aceasta generează o forță magnetică care contracarează forța arcului. Cu cât curentul este mai mare, cu atât forța magnetică este mai mare și supapa se deschide mai larg. Măsurile speciale de proiectare asigură obținerea unui echilibru definit al forțelor și, prin urmare, a unei poziții specifice a supapei pentru fiecare valoare a curentului.

Tipuri de solenoizi proporționali

Există două tipuri de bază de solenoizi proporționali:

Solenoidele proporționale cu cursă controlată funcționează cu o cursă definită și sunt utilizate în principal în supapele de control direcțional. Miezul solenoidului iese relativ mult în afara bobinei, ceea ce înseamnă că rezistența magnetică se modifică cu greu pe o gamă largă de curse. Acest lucru asigură o forță a solenoidului care este practic dependentă de traiectorie. Proiectele moderne au adesea măsurarea poziției și controlul electronic al poziției integrate, ceea ce îmbunătățește semnificativ precizia poziționării și minimizează efectele de histerezis.

Solenoizii proporționali cu forță controlată generează o forță proporțională cu intensitatea curentului cu curse foarte mici. Acestea sunt utilizate în principal în supapele de presiune, unde înlocuiesc resortul mecanic obișnuit. Miezul solenoidului este dispus asimetric în interiorul bobinei, prin care se obține o dependență dorită a forței magnetice de traiectorie, similară unei caracteristici a arcului.

Tipuri de supape și aplicațiile lor

Supape proporționale de control direcțional

Valvele proporționale de control direcțional controlează direcția și cantitatea debitului volumic către consumatorii hidraulici. Acestea sunt concepute ca supape de control direcțional 4/2 sau 4/3 și permit reglarea continuă a vitezei cilindrilor sau motoarelor hidraulice.

Bobinele supapei pot fi proiectate cu diferite suprapuneri: Suprapunerea zero oferă o sensibilitate maximă de răspuns, suprapunerea pozitivă asigură o mai bună etanșeitate în domeniul neutru, în timp ce suprapunerea negativă este utilizată pentru anumite sarcini de control. Debitele nominale tipice sunt cuprinse între 20 și 800 l/min la presiuni de până la 350 bar.

În hidraulica mobilă, distribuitoarele proporționale sunt utilizate pentru a controla hidraulica de lucru a utilajelor de construcții, a încărcătoarelor pe roți sau a utilajelor agricole. În hidraulica industrială, acestea sunt utilizate în prese hidraulice, mașini de turnare prin injecție sau laminoare.

Supape de presiune proporțională

Supapele de presiune proporțională includ supapele de limitare a presiunii, supapele de reducere a presiunii și supapele diferențiale de presiune. Acestea controlează presiunea sistemului proporțional cu semnalul de intrare și sunt construite în două variante principale.

Supapele de suprapresiune proporționale controlate direct funcționează cu un solenoid proporțional cu cursă controlată și poziție reglată. Solenoidul acționează direct asupra unui con al supapei, care eliberează debitul către rezervor de îndată ce presiunea setată este depășită. Acest model este adecvat pentru debite volumice mai mici, de până la aproximativ 40 l/min.

Supapele de suprapresiune proporționale acționate pilot utilizează o supapă pilot mică cu un solenoid proporțional controlat prin forță pentru a controla un etaj principal mai mare. Acest model permite controlul debitelor voluminoase mari, de până la peste 1000 l/min, cu un design compact și un consum redus de energie electrică.

Supape de debit proporționale

Supapele cu debit proporțional, cunoscute și ca supape de accelerație, controlează debitul volumic independent de diferența de presiune. Acestea constau dintr-o combinație de clapetă de accelerație reglabilă și compensator de presiune, prin care clapeta de accelerație este reglată prin intermediul unui solenoid proporțional, în timp ce compensatorul de presiune menține o diferență de presiune constantă la nivelul clapetei de accelerație.

Acest principiu de funcționare înseamnă că debitul volumic depinde numai de poziția clapetei de accelerație și nu este influențat de fluctuațiile de sarcină. Acest lucru asigură un control precis și constant al debitului, chiar și în condiții de funcționare variate.

Electronica de control și procesarea semnalului

Valvele proporționale sunt controlate prin intermediul amplificatoarelor electronice care îndeplinesc diverse funcții. Funcția de bază este de a converti semnalul punctului de referință într-un curent controlat al bobinei. Amplificatoarele moderne funcționează cu modulare a lățimii impulsurilor (PWM) la frecvențe de la 100 Hz la câteva kHz. Acest lucru reduce pierderea de putere și îmbunătățește comportamentul dinamic.

Controlul curentului compensează influențele temperaturii asupra rezistenței bobinei și asigură astfel caracteristici stabile ale supapei. Funcțiile suplimentare includ:

• Ramping pentru a limita accelerația
• Suprimarea zonei moarte pentru a compensa suprapunerea supapei
• Reglarea curbei caracteristice pentru a liniariza comportamentul supapei
• Suprapunere dither pentru reducerea histerezisului

Dither-ul este un semnal alternativ de amplitudine mică și frecvență înaltă care este suprapus peste punctul de referință. Acesta face ca bobina supapei să vibreze minim, depășind astfel frecarea statică și reducând histerezisul de la 5-7% la mai puțin de 1%.

Curbe caracteristice și caracteristici de performanță

Curba caracteristică a unei supape proporționale descrie relația dintre semnalul de intrare și variabila de ieșire. Pentru supapele de control direcțional, aceasta este caracteristica debitului Q = f(I), iar pentru supapele de presiune, caracteristica presiunii p = f(I).

Curbele caracteristice ideale sunt liniare, cu un punct zero definit și un câștig constant. Cu toate acestea, în practică, supapele proporționale prezintă anumite neliniarități:

• Zona moartă: zona din jurul punctului zero în care nu există reacție
• Saturație: aplatizarea curbei caracteristice la valori ridicate ale semnalului
• Histerezis: Diferența dintre caracteristicile de control ascendente și descendente

Liniaritatea este de obicei de ±3% până la ±5% din valoarea maximă. Precizia de repetare este de obicei de ±1% până la ±2%. Comportamentul dinamic este caracterizat de răspunsul în trepte, timpii de creștere de la 30 la 100 ms fiind tipici pentru cursa de 0-100%.

Avantaje față de alte tehnologii de supape

În comparație cu supapele de comutare, supapele proporționale oferă o reglare fără trepte și, prin urmare, mișcări netede, fără sacadări. Acest lucru reduce stresul mecanic și vârfurile de presiune din sistem. În comparație cu servovalvele, acestea punctează cu:

• Robustețe mai mare și insensibilitate la murdărie
• Costuri mai mici de achiziție și întreținere
• Punere în funcțiune mai ușoară, fără filtrare complexă
• toleranță mai mare în ceea ce privește calitatea uleiului

Cu toate acestea, supapele proporționale nu ating precizia și dinamica extremă a servovalvelor. Frecvența lor de tăiere este de obicei de 10-50 Hz, în timp ce servovanele pot ajunge până la 500 Hz.

Domenii de utilizare și exemple de aplicații

În hidraulica mobilă, supapele proporționale controlează funcțiile de lucru ale utilajelor de construcții, utilajelor agricole și vehiculelor municipale. Sistemele load-sensing cu valve proporționale optimizează consumul de energie prin ajustarea debitului în funcție de necesități.

Hidraulica industrială utilizează supape proporționale în prese pentru controlul forței și al vitezei, în mașini de turnare prin injecție pentru controlul precis al injecției sau în laminoare pentru controlul grosimii. De asemenea, acestea permit cicluri de sarcină reproductibile în tehnologia de testare.

În ingineria proceselor, supapele proporționale reglează presiunile de proces în reactoare, controlează cantitățile de dozare în sistemele de amestecare sau reglează circuitele de răcire. Versiunile speciale pentru zone periculoase sau cu materiale speciale extind gama de aplicații.

Criterii de selecție și dimensionare

Următorii parametri trebuie luați în considerare la selectarea unei supape proporționale:

• Debitul nominal și domeniul de presiune necesare
• Precizia și dinamica de control necesare
• Condițiile mediului ambiant, cum ar fi temperatura și gradul de contaminare
• Semnale de control și tensiune de alimentare disponibile
• Poziția de instalare și tipul de conexiune

Dimensionarea se bazează pe caracteristicile debitului, luând în considerare diferența de presiune reală. Factorii de siguranță de 20-30% compensează toleranțele de fabricație și efectele îmbătrânirii. Pentru aplicațiile critice, se recomandă o verificare metrologică a caracteristicilor supapei.

Întreținerea și diagnosticarea defecțiunilor

Se consideră că supapele proporționale necesită puțină întreținere, dar se recomandă totuși verificări funcționale regulate. Tipurile tipice de erori includ

• reacție lentă din cauza contaminării
• Histerezis crescut din cauza uzurii ghidajelor
• Deriva punctului zero din cauza influențelor termice sau mecanice
• Scurgeri datorate uzurii garniturilor

Electronica de control modernă oferă funcții de diagnosticare, cum ar fi monitorizarea curentului, măsurarea temperaturii sau feedback-ul poziției. Întreținerea predictivă bazată pe aceste date reduce timpii de oprire neplanificați.

Standarde și orientări

Supapele proporționale sunt supuse diferitelor standarde care standardizează dimensiunile, conexiunile și parametrii de performanță. Standardele importante sunt

• ISO 4401: Dimensiuni de conectare pentru supapele de control direcțional
• DIN 24340: Conexiuni cu plăci pentru supape hidraulice
• ISO 6263: Metode de testare pentru supapele hidraulice
• ISO 10770: Terminologie și parametri

Pentru aplicațiile critice din punct de vedere al siguranței, se aplică, de asemenea, Directiva privind mașinile 2006/42/CE și standardele specifice industriei, cum ar fi ISO 13849 pentru funcțiile de siguranță.

Tendințe și evoluții viitoare

Digitalizarea este motorul dezvoltării supapelor proporționale inteligente. Microprocesoarele integrate permit autodiagnosticarea, parametrizarea automată și întreținerea predictivă. Supapele capabile de fieldbus cu CANopen, PROFIBUS sau EtherCAT simplifică integrarea în sistemele moderne de automatizare.

Noile materiale și procese de fabricație îmbunătățesc performanța. Acoperirile reduc frecarea și uzura, în timp ce fabricarea aditivă permite geometrii complexe de curgere cu proprietăți optimizate. Eficiența energetică devine din ce în ce mai importantă, motiv pentru care sunt dezvoltate supape cu pierderi de presiune mai mici și cu reglare inteligentă a cererii.

Miniaturizarea deschide noi domenii de aplicare în tehnologia medicală și microfluidică. În același timp, cerințele de precizie și dinamică sunt în creștere, ceea ce înseamnă că granițele dintre tehnologia supapelor proporționale și cea a supapelor servo devin din ce în ce mai neclare.