I. תפקיד הליבה שלשסתומי סולנואיד
שסתום הסולנואיד, כמרכיב מפתח להמרה אלקטרו-פניאומטית, נושא באחריות להמרה יעילה של אותות חשמליים לאותות פניאומטיים. לאחר קבלת הוראת הבקרה, שסתום הסולנואיד יכול לשחרר במדויק, לעצור או לשנות את כיוון הזרימה של האוויר הדחוס, ובכך להשיג פונקציות מרובות, כולל בקרת כיוון הפעולה של רכיב המפעיל הפנאומטי, בקרת כמות מתג ON/OFF, ובקרת OR/NOT/AND לוגית. בין הסוגים השונים של שסתומי סולנואיד, שסתום הבקרה הכיווני הבקרה האלקטרומגנטית מחזיק בעמדת ליבה וממלא תפקיד מכריע.
II. עקרון עבודה של שסתום בקרת כיוון בקרה אלקטרומגנטית
במערכות פנאומטיות, שסתום הבקרה הכיווני הבקרה האלקטרומגנטית ממלא תפקיד מכריע. הוא אחראי לשליטה בפתיחה ובסגירה של תעלת זרימת האוויר או שינוי כיוון הזרימה של אוויר דחוס. עקרון העבודה המרכזי שלו מסתמך על הכוח האלקטרומגנטי שנוצר על ידי הסליל האלקטרומגנטי. כוח זה יניע את ליבת השסתום לעבור, ובכך ישיג את המטרה של היפוך זרימת האוויר. על פי הדרכים השונות שבהן חלק הבקרה האלקטרומגנטית דוחף את שסתום בקרת הכיוון, ניתן לחלק את שסתומי בקרת הכיוון בקרה אלקטרומגנטית לשני סוגים: ישיר-פועל והפעלת טייס-. שסתומי סולנואיד הפועלים ישירות-משתמשים ישירות בכוח אלקטרומגנטי כדי להניע את ליבת השסתום לכיוון הפוך, בעוד ששסתומי בקרת כיוונים המופעלים על ידי טייס- מסתמכים על לחץ האוויר הטייס שנוצר על ידי שסתום הפיילוט האלקטרומגנטי כדי להניע את ליבת השסתום כדי להשיג היפוך.
איור 1 מציג תמונת חתך פשוטה- של שסתום סולנואיד סולנואיד בעל 3/2 (תלת-2-מצבים ישיר-(סוג פתוח בדרך כלל) ועקרון הפעולה שלו. כאשר הסליל מופעל, ליבת הברזל הסטטית תיצור כוח אלקטרומגנטי, וכוח זה ידחוף את ליבת השסתום לנוע כלפי מעלה. כאשר ליבת השסתום עולה, האטם מורם, ובכך מחברים את יציאות 1 ו-2 תוך ניתוק יציאות 2 ו-3. בשלב זה, השסתום נמצא במצב יניקה ויכול לשלוט בתנועת הצילינדר. לאחר ניתוק החשמל, ליבת השסתום תסתמך על כוח השיקום של הקפיץ כדי לחזור למצבו המקורי, כלומר, יציאות 1 ו-2 מנותקות בעוד יציאות 2 ו-3 מחוברות. בדרך זו, השסתום נמצא במצב פליטה.
איור 2 מציג תמונת חתך פשוטה- של שסתום סולנואיד סולנואיד 5/2 (חמישה-דו-מצבים ישיר-פועל (סוג פתוח בדרך כלל) ועקרון הפעולה שלו. במצב ההתחלתי, כניסת האוויר מתרחשת דרך יציאות 1 ו-2, בעוד הפליטה מתבצעת דרך יציאות 4 ו-5. כאשר הסליל מופעל, ליבת הברזל הסטטית יוצרת כוח אלקטרומגנטי. כוח זה יניע את שסתום הפיילוט לפעול, ואז אוויר דחוס ייכנס לבוכנת הפיילוט של השסתום דרך נתיב האוויר, ויגרום לבוכנה להתחיל. באמצע הבוכנה, משטח האיטום העגול פותח את התעלה. בשלב זה, האוויר נקלט מיציאות 1 ו-4, בעוד אוויר יוצא מיציאות 2 ו-3. לאחר ניתוק החשמל, שסתום הטייס יסתמך על כוח השיקום של הקפיץ כדי לחזור למצבו המקורי.
לאחר מכן, בואו נדבר על הפונקציה של שסתום הסולנואיד. הפונקציה של שסתום אלקטרומגנטי מיוצגת על ידי שני מספרים: M ו-N, אשר נקרא שסתום אלקטרומגנטי במיקום M-נתיב N-. ביניהם, "מצב N" מייצג את עמדת המיתוג של שסתום בקרת הכיוון, כלומר, את מצב השסתום. מספר מיקומי השסתומים הוא הערך של N. לדוגמה, לשסתום דו--מצב יש שתי אפשרויות מיקום, כלומר יש לו שני מצבים. לשסתום שלושת-המצבים יש שלוש אפשרויות מיקום, כלומר, ישנם שלושה מצבים שונים. "נתיב M" מציין את מספר הממשקים החיצוניים של השסתום, כולל כניסת האוויר, יציאת האוויר ויציאת הפליטה. מספר המסלולים הוא הערך של M.
קח את השסתום באיור 1 כדוגמה. זהו שסתום סולנואיד הפועל 3/2 ישיר-, כלומר, לשסתום יש שני מצבים, כלומר מצבי "מופעל" ו"כבוי". במקביל, יש לו שלוש יציאות אוויר: 1 היא כניסת האוויר, 2 היא יציאת האוויר ו-3 היא יציאת הפליטה.
ניתוח של דרכי הנשימה של שסתום הסולנואיד
בקצה השמאלי של דיאגרמת נתיב הגז, הסמל בקצה השמאלי מייצג בדרך כלל את הקפיץ התחתון. החלק האמצעי הוא גוף השסתום, המכיל את המידע המרכזי לקביעת סוג השסתום הסולנואיד. לדוגמה, שתי התיבות באיור מצביעות על כך שזהו שסתום סולנואיד דו--מצבי, בעוד ש-A/B/R/P/S מייצגים את מיקומי החורים של גוף השסתום, כלומר, השסתום בעל חמישה-כיוונים. לכן, שסתום סולנואיד זה הוא שסתום סולנואיד דו-מצבי חמישה-. באופן דומה, אנו יכולים לקבוע את מספר הביטים ואת מספר המעברים של שסתום הסולנואיד לפי מספר החורים ומספר הקופסאות.
בנוסף, דיאגרמת נתיב הגז מציגה גם את מסלולי הפעולה של נתיב הגז כאשר החשמל כבוי וכאשר החשמל מופעל. כאשר החשמל מנותק, נתיב האוויר נכנס דרך חור P, פועל על המפעיל דרך חור A, ואז עובר דרך חור B, ולבסוף משוחרר מחור S, בעוד חור R נשאר סגור. כאשר מופעל, נתיב האוויר נכנס גם מהחור P, אך בשלב זה, אוויר יוצא מחור B, פועל על המפעיל ועובר דרך חור A, ולבסוף יוצא מהחור R, בעוד חור S סגור.
החלק הימני של איור 3 מייצג בדרך כלל סלילים או שסתומי טייס קטנים, אשר ממלאים תפקיד חשוב בפעולת שסתומי סולנואיד. על ידי פירוש דיאגרמות דרכי הנשימה הללו, נוכל לקבל הבנה מעמיקה יותר של עקרון העבודה של שסתום הסולנואיד ואת פעולת דרכי הנשימה בתנאים שונים.
איור 4 מציג את הדיאגרמה הסכמטית החשמלית של שסתום הסולנואיד הפנאומטי. הדיאגרמה הסכמטית החשמלית היא המפתח להבנת עקרון העבודה של שסתום אלקטרומגנטי. זה מתאר בבירור את הסליל, המגעים ויחסי החיבור עם רכיבים חשמליים אחרים. על ידי התבוננות בתרשים הסכמטי החשמלי, נוכל לקבל הבנה מעמיקה יותר של השינויים החשמליים של שסתום הסולנואיד כאשר הוא מופעל וכיבוי, ובכך לתפוס טוב יותר את מאפייני העבודה שלו.
Iv. מבחר שסתומי סולנואיד בקרה בודדים- ושסתומי סולנואיד כפולים-
שסתום הסולנואיד היחיד הנשלט חשמלית, כפי ששמו מרמז, מצויד בסליל אחד בלבד. כאשר הוא מופעל, הוא ישתנה ויכנס למצב אחר. כאשר החשמל מנותק, הוא יחזור אוטומטית למצב המקורי. עיקרון עבודה זה מוצג באיור 5. לעומת זאת, שסתום הסולנואיד הכפול-המבוקר האלקטרו מצויד בשני סלילים. על ידי שליטה במצבי האנרגיה של סלילים שונים, הוא יכול להשיג מתגים מרובים ועדיין לשמור על המצב הקודם שלו לאחר כיבוי-, כפי שמוצג באיור 6. הבדל תפקודי זה קובע ישירות את הבחירות השונות שלהם ביישומים מעשיים.
איורים 5 ו-6 מדגימים את עקרונות העבודה של שסתומי סולנואיד בקרה יחידים- ושסתומי סולנואיד בקרה כפולים-. בעת בחירה, אם זמן ההיפוך של השסתום קצר יחסית, מספיק שסתום סולנואיד בקרה יחיד- כדי לטפל בו. עם זאת, אם זמן ההעברה ארוך, יש להפעיל את הסליל באופן רציף, מה שעלול לגרום להתחממות הסליל עקב הפעלה ממושכת- ואף להישרף. כדי למנוע מצב זה, ניתן לבחור -שסתום בקרה כפול. בנוסף, אם יש צורך להשיג את פונקציית האיפוס לאחר הפסקת חשמל, שסתום סולנואיד יחיד מבוקר חשמלי מתאים יותר. אם יש צורך לשמור על המצב הנוכחי לאחר הפסקת חשמל, שסתום סולנואיד כפול- מתאים יותר.
V. הבדלים ויישומים בין שסתומי סולנואיד-מופעלי טייס לבין שסתומי סולנואיד ישירים- הפועלים
בין סוגי השסתומים הסולנואידים, -מופעלים באמצעות טייס והפעלה ישירה- הם שני סוגים נפוצים. הם שונים בעקרונות העבודה ובתרחישי היישום. שסתומי סולנואיד המופעלים על ידי טייס- עוברים בין גז לנוזל דרך חורי טייס, בעוד ששסתומי סולנואיד הפועלים ישירות- מסתמכים על הפרשי לחצים כדי לשלוט בתנועת ליבת השסתום. הבדל זה גורם לשני הסוגים של שסתומי סולנואיד לכל אחד יתרונות משלהם כאשר הם מגיבים לדרישות תעשייתיות שונות. לדוגמה, במצבים מסוימים הדורשים תגובה מהירה ורגישות גבוהה, שסתומי סולנואיד הפועלים ישירות- עשויים להיות מתאימים יותר. במצבים שבהם נדרשת שליטה עדינה וצריכת אנרגיה נמוכה יותר, לשסתומי סולנואיד המופעלים{10}}יתכן שיש יתרון.
התכנון המבני של שסתומי סולנואיד הפועלים ישירות- הוא פשוט יחסית. עקרון העבודה שלהם מסתמך בעיקר על כוח אלקטרומגנטי כדי להניע ישירות את ליבת השסתום לפעול. עם זאת, לעיצוב זה יש גם שני חסרונות עיקריים. ראשית, עקב הדרישה הגדולה לכוח אלקטרומגנטי, נפח הסליל האלקטרומגנטי גדל בהתאם, מה שמוביל בתורו לצריכת אנרגיה גבוהה יותר. שנית, שסתומי סולנואיד הפועלים ישירות- רגישים יחסית ללחץ. כאשר הלחץ חורג מגבול מסוים (בדרך כלל מעל 0.7MPA), שסתומי סולנואיד ישירים- רבים אינם יכולים לתפקד כראוי. הדבר נובע בעיקר מהלחץ הגבוה מדי הפועל על ליבת השסתום, ומקשה על הכוח האלקטרומגנטי להניע את ליבת השסתום לפעול. למרות זאת, לשסתומי סולנואיד ישירים-יש גם יתרונות: מבנה פשוט, מחיר סביר ושיעור כשל נמוך.
2. שסתום הסולנואיד המופעל-בפיילוט מתוכנן בצורה גאונית. הוא נוטש את כונן הכוח האלקטרומגנטי המסורתי ובמקום זאת משתמש בלחץ אוויר כדי להניע את ליבת השסתום לפעול. עבור שסתומי סולנואיד בקוטר העולה על 4 מ"מ, הם מורכבים בדרך כלל משסתום פיילוט ושסתום ראשי. לאחר הפעלת שסתום הסולנואיד, שסתום הפיילוט ייפתח וישלוט בפתיחת השסתום הראשי באמצעות אות המוצא שלו. ראוי לציין שהשסתום הראשי הוא למעשה שסתום בקרה פנאומטי, והפעלתו מחייבת פעולה מתואמת של שני מקורות אוויר: האחד הוא מקור האוויר הראשי של השסתום, והשני הוא מקור האוויר של שסתום הפיילוט.
אם מקור האוויר הראשי מספק אוויר לשסתום הפיילוט דרך מעבר האוויר הפנימי של שסתום הסולנואיד, עיצוב זה נקרא סוג פיילוט פנימי. אם שסתום הפיילוט מסופק בגז ממקור שאינו תלוי במקור הגז הראשי, הוא נקרא סוג פיילוט חיצוני. באיור 8, הצד השמאלי מציג דוגמה של שסתום סולנואיד- חיצוני המופעל, ואילו הצד הימני מציג דוגמה של שסתום סולנואיד- פנימי המופעל.
ההשוואה הפיזית בין העופרת הפנימית לליד החיצוני מוצגת באיור הבא.
שני סוגים אלה של שסתומי סולנואיד, כלומר טייס פנימי ופייס חיצוני, מתקיימים לעתים קרובות באותה מערכת. בדרך כלל, הפיילוט הפנימי כבר יכול לענות על הצרכים של רוב המקרים. עם זאת, בנסיבות ספציפיות מסוימות, מנהיגות חיצונית הופכת נחוצה עוד יותר. לדוגמה, כאשר לחץ מקור הגז של השסתום הראשי משתנה ועשוי לרדת מתחת ל-0.2MPA, או כאשר הוא נמצא בסביבת ואקום, מכיוון שלא ניתן לחלוק את מקור הגז של שסתום הטייס עם זה של השסתום הראשי, אחרת זה עלול להוביל לכך שהשסתום הראשי לא יוכל להיפתח. בשלב זה, נדרש מקור אוויר עצמאי עם לחץ העולה על 0.2MPA כדי להפעיל את שסתום הפיילוט. בנוסף, כאשר הפרש הלחץ בין כניסת האוויר ליציאת האוויר הוא משמעותי, או כאשר לחץ נתיב האוויר הראשי עולה על 1MPA, ייתכן שהטייס הפנימי יצטרך להגדיל את הנפח המבני על ידי העמסה ישירה של לחץ דרכי הנשימה על ליבת השסתום. הטייס החיצוני פותר את הבעיה על ידי הכנסת תעלת גז אחת ישירות לפתח הטייס ללא צורך בהוספת שסתום אלקטרומגנטי; צריך להוסיף רק צינור אוויר.
לסיכום, לשסתומי סולנואיד המופעלים-בפיילוט יש את היתרונות של ראשים אלקטרומגנטיים קטנים וצריכת חשמל נמוכה. זה אסתטי וחוסך מקום התקנה. בינתיים, הוא מייצר פחות חום ויש לו אפקט חיסכון- יוצא דופן באנרגיה. חשוב מכך, בשל ייצור החום הנמוך, הסליל נוטה להישרף וניתן להפעיל אותו לאורך זמן. זה חשוב במיוחד ביישומים מעשיים. לדוגמה, ההספק של חלק מהשסתומים הסולנואידים מ-SMC הצטמצם לנמוך כמו 0.1W, מה שמאפשר אספקת חשמל רציפה ללא התחממות יתר. טווח ההספק של שסתומי סולנואיד-ישירים הוא 4-20W, עם הספק קצר יחסית-בזמן. יתר על כן, הפעלה{15}}תכופה מהווה סיכון לשחיקה. לכן, במצבים שבהם נדרשת אספקת חשמל לתקופות ארוכות או בתדרים גבוהים, שסתומי סולנואיד המופעלים באמצעות טייס הופכים לבחירה המועדפת. למעשה, רוב שסתומי הסולנואיד הנפוצים בימינו אימצו עיצוב מופעל-בפיילוט. בין שסתומי הסולנואידים המאפשרים רק לנוזל לעבור דרכו, אלה הפועלים ישירות עדיין מהווים פרופורציה מסוימת. זה נובע בעיקר מהעובדה שזיהומים בנוזל עלולים לסתום את תעלות שסתום הפיילוט הצרות.
לאחר מכן, נעמיק בשלושת הסוגים של שסתומי סולנואיד תלת-מצבי חמישה-: אמצעי-אטום, אמצעי-אוורר ולחץ בינוני-, כמו גם היישומים שלהם. סוג זה של שסתום סולנואיד משתמש בסלילי בקרה חשמליים כפולים. כאשר אף אחד משני האלקטרומגנטים אינו מופעל, ליבת השסתום תהיה במצב האמצעי תחת דחיפה מאוזנת של הקפיצים משני הצדדים. בשלב זה, מצב ההפעלה-כבוי של נתיב הגז בשסתום הסולנואיד יקבע את הסוג הספציפי שלו - איטום אמצעי, אוורור אמצעי או לחץ בינוני. ננתח את העקרונות ותרחישי היישום של שלושת הסוגים הללו בזה אחר זה.
1.ניתוח מצב האיטום האמצעי: כאשר אף אחד משני הסלילים אינו מופעל, הלחץ בחדרים הקדמיים והאחוריים של הצילינדר יישאר במצב לאחר ביטול האנרגיה של הסלילים-ולא ישתנה. במקביל, גם יציאות כניסת האוויר וגם יציאות הפליטה סגורות. עם זאת, שמירה על מצב זה לאורך זמן עלולה לגרום לו בהדרגה לאבד שיווי משקל עקב דליפות קלות. התרשים הסכמטי מוצג ב (איור 10).
בשל יכולת הדחיסה של הגז והעובדה שרכיבים פנאומטיים כגון צילינדרים, שסתומים ומפרקי צינורות גז אינם יכולים להיות נטולי דליפות לחלוטין-, לא ניתן לשמור את הצילינדר ביציבות במצב עצירת ביניים במשך זמן רב. מצב מאוזן זה יאבד בהדרגה עם הזמן, וכתוצאה מכך ירידה בדיוק המיקום של הצילינדר. עם זאת, עבור אותם תנאי עבודה שבהם דיוק המיקום של הצילינדר אינו נדרש במיוחד וזמן העצירה קצר יחסית, עדיין ניתן לשקול שימוש בצילינדר האטום האמצעי-.
2. שיטת פריקה בינונית: כאשר אף אחד משני הסלילים אינו מופעל, אין לחץ בחדרים הקדמיים והאחוריים של הצילינדר, ופתח כניסת האוויר נשאר סגור בו זמנית. בשלב זה, הלחץ בחדרים הקדמיים והאחוריים של הצילינדר יפרק דרך שתי יציאות הפליטה של שסתום הסולנואיד. ניתן להתייחס לעקרון העבודה שלו באיור 11.
בהשוואה לשסתום -האמצעי האטום, עיצוב מעגל הפריקה האמצעי- יכול לספק זמן עצירה בינוני ארוך יותר. בתרחישים שבהם הצילינדר צריך לנוע אנכית, זמן העצירה האמצעי- ארוך יחסית, אך דרישת דיוק המיקום אינה קפדנית במיוחד, מעגל השחרור האמצעי- הוא בחירה שכדאי לשקול.
3. מצב לחץ בינוני: כאשר אף אחד משני הסלילים אינו מופעל, הלחץ בחדרים הקדמיים והאחוריים של הצילינדר יישאר במצב בו-הסליל הקודם יופעל, ולחץ מתמשך יופעל כדי להבטיח שהלחץ בחדרים הקדמיים והאחוריים של הצילינדר יהיה עקבי עם זה שבקצה היניקה. בשלב זה, כניסת האוויר פתוחה בזמן שהמפלט סגור. עקרון העבודה מוצג באיור 12.
אם הצילינדר אינו נתון לכוח עומס חיצוני צירי, הבוכנה תישאר במצב מאוזן ובכך תישאר בדיוק בכל מיקום במהלך המהלך. המאפיינים של מעגל זה דורשים כי הצילינדר חייב להיות מותקן אופקית. לכן, בתנאי עבודה שבהם נדרש מיקום דיוק- גבוה ואין כוח עומס חיצוני צירי, מומלץ להשתמש בשסתום לחץ בינוני- בשילוב עם צילינדר מוט בוכנה כפול.
