Dominando válvulas electrohidráulicas: principios clave de diseño

Los fundamentos de las válvulas electrohidráulicas son fáciles de entender: son válvulas operadas eléctricamente que controlan cómo se envía el fluido hidráulico a los actuadores. Sin embargo, para aplicar válvulas electrohidráulicas para sistemas hidráulicos eficientes y efectivos, los diseñadores deben considerar varios factores. Este artículo explorará siete consideraciones clave de diseño para aplicar válvulas electrohidráulicas.

1. Válvulas On/Off vs Proporcionales

Las válvulas on/off son básicamente los interruptores on/off para sistemas hidráulicos. Las válvulas on/off se usan típicamente en aplicaciones donde no se requiere control preciso de posición o velocidad. Las válvulas proporcionales ofrecen control más variable de tasas de flujo para sistemas hidráulicos.

Estas válvulas se usan típicamente en aplicaciones donde se requiere más control más allá de una válvula de control direccional estándar. Algunas aplicaciones que requieren control de tasa de flujo variable donde las válvulas proporcionales brillan incluyen control de paso de turbinas eólicas, procesamiento de madera, herramientas de máquina y conformado de metales. Si se requiere temporización y/o posicionamiento específico, piense en proporcional.

2. Electrónica integrada vs externa

Determinar si una válvula con electrónica integrada o externa es la mejor opción requiere una evaluación profunda de la aplicación. Generalmente, la electrónica integrada se usa para localizar el control en la válvula y simplificar el cableado en el controlador. La electrónica externa se utiliza a menudo en áreas con alta vibración y temperaturas que pueden reducir el rendimiento de la electrónica.

Accionar una válvula de electrónica externa requiere el uso de un módulo electrónico que pueda configurarse a parámetros personalizados como corriente de accionamiento de solenoide deseada y tasas de rampa. Las válvulas de electrónica integrada pueden comandarse directamente con un comando estándar incluyendo 4-20 mA o ±10 VDC y flujo para el mismo nivel de personalización.

3. Control de lazo abierto vs lazo cerrado

Hay dos opciones de control para sistemas hidráulicos: lazo abierto y lazo cerrado. En términos generales de libros de texto, un sistema de lazo abierto no puede compensar perturbaciones que alteran la señal de accionamiento del controlador. Los sistemas de lazo cerrado no tienen esta deficiencia; las perturbaciones en el sistema se compensan midiendo la respuesta de salida y comparándola con la entrada. Si hay una diferencia observada (conocida como señal de error), el error se retroalimenta al controlador para ajustar la salida al valor deseado.

Por ejemplo, hay válvulas operadas por solenoides proporcionales que no cierran el lazo internamente alrededor del carrete. Se usan para aplicaciones de aceleración y dosificación.

Otras válvulas cierran el lazo internamente alrededor de la posición del carrete pero pueden integrarse en un sistema de lazo cerrado. El error en el sistema se mide con un transductor; es decir, un sensor de posición o velocidad en un actuador, un transductor de presión o un medidor de flujo para mayor precisión. Las válvulas servohidráulicas operando en sistemas de control de lazo cerrado están diseñadas para usar baja potencia y retroalimentación mecánica para proporcionar control preciso.

Parámetros que deben considerarse al especificar sistemas de control de lazo abierto y cerrado incluyen:

• Histeresis: La diferencia en salida medida entre comando creciente y decreciente.

• Respuesta al escalón: El tiempo requerido desde el comando inicial hasta que la válvula se estabiliza en la salida deseada.

• Respuesta en frecuencia: La velocidad máxima a la que una válvula puede operar con precisión.

• Fuga interna: Flujo de bypass inherente a válvulas de carrete debido a holguras mecánicas.

• Capacidad de flujo: La cantidad de fluido que puede pasar a través de la válvula.

4. Dimensionado de carretes

Los carretes de válvulas proporcionales se califican típicamente para un flujo nominal a una presión diferencial de 10 bar, mientras que los carretes de válvulas servo se califican típicamente para un flujo nominal a una presión diferencial de 70 bar. Los carretes de medición igual proporcionan flujo simétrico a cada puerto de trabajo. Esto puede ser útil al accionar un motor o un cilindro de doble vástago con áreas efectivas iguales. Los carretes de medición igual resultarán en velocidad reducida durante la retracción de un cilindro de vástago simple debido al área diferencial entre el vástago y el pistón.

Los carretes de relación proporcionan flujo asimétrico entre puertos de trabajo; el más usado es un diseño de relación 2:1. Cuando se usa para accionar un cilindro de relación 2:1, por ejemplo, se logrará velocidad igual entre extensión y retracción del cilindro debido al emparejamiento de las áreas desbalanceadas. Se recomienda dimensionar válvulas proporcionales lo más pequeño posible para controlar la carga. Para mantener el control, se debe ejercer contrapresión contra la carga en todo momento. Una regla general es seleccionar un carrete que use 90-95 por ciento de la calificación de flujo máximo. Seleccionar un carrete con capacidad de flujo demasiado grande puede resultar inestabilidad del sistema.

5. Compuestos de sellado

Al seleccionar el compuesto para sellos elastoméricos en cualquier válvula de control direccional, consulte los recursos del fabricante para información de compatibilidad de fluido y compuesto. Aplicaciones industriales estándar usando aceite mineral típicamente usan un sello de nitrilo, que también se recomienda al controlar agua-glicol.

Aplicaciones que involucran temperaturas elevadas o fluidos menos comunes pueden utilizar uno de muchos grados de sello de fluorocarbono. En caso de duda, consulte a fábrica para asistencia en selección de compuesto de sellado.

6. Circuitos regenerativos e funciones híbridas

Un circuito regenerativo enruta fluido evacuado del extremo del vástago de un cilindro de vuelta al extremo del pistón en lugar de al tanque para extensión acelerada del actuador. El uso de un circuito regenerativo puede permitir a un diseñador de sistema usar una bomba más pequeña para lograr requisitos de diseño cuando se necesita movimiento rápido en solo una dirección. Las válvulas de control direccional regenerativas para control on/off y proporcional (código de flujo R) permiten a diseñadores de sistema lograr función regenerativa sin necesidad de agregar válvulas adicionales al circuito.

Las válvulas regenerativas híbridas ofrecen a diseñadores de sistema la capacidad de habilitar control regenerativo a través de una señal eléctrica separada a la señal de comando. Al utilizar control regenerativo, se sacrifica fuerza por velocidad. La función híbrida (código de flujo Z) permite a diseñadores seleccionar entre la función hidráulica estándar para construir fuerza y función regenerativa para acelerar la carga rápidamente.

7. Patrones de montaje

Las configuraciones de montaje para válvulas electrohidráulicas se guían por estándares NFPA/ISO —las designaciones de series D03, D05, D07, D08 y D10 indicarán cumplimiento con los estándares. Las válvulas pilotadas son más estables en un amplio rango de flujos y permiten a los sistemas operar con mayor capacidad de flujo. A menudo, la presión de pilotaje hidráulica usada para controlar el carrete de etapa principal proporciona mayor fuerza que la de un solenoide en una válvula de accionamiento direccional, resultando en un rendimiento más predecible para el usuario.

Conclusión

Hay muchos recursos disponibles para ingenieros de diseño al especificar componentes para sistemas: hojas de referencia, calculadoras, herramientas de configuración y más. Sin embargo, no hay sustituto para la experiencia y el conocimiento profundo de aplicación.

Aproveche la experiencia de "he estado ahí y lo he visto" que los ingenieros de aplicaciones de su proveedor pueden ofrecer. No solo entienden cómo funcionan los componentes que su empresa ofrece, sino que también tienen el beneficio de haber ayudado a otros en la misma situación a corregir errores de diseño y han resuelto problemas para algunas de las aplicaciones más únicas.

Este artículo fue escrito por Matthew Davis, gerente de ventas de producto; Mitch Eichler, ingeniero de aplicaciones; y Tom Gimben, gerente de ventas de producto en Parker Hannifin Corp., División de Válvulas Hidráulicas, Elyria, OH. Para más información, visite aquí .