Válvulas Hidráulicas de Elemento Lógico
Conheça as válvulas hidráulicas de elemento lógico e suas funções
Por Gustavo Marinho, CFPHS | 21 de Junho de 2020
As válvulas de elemento lógico do tipo cartucho estão disponíveis nos estilos de “rosca” e “de encaixe”. As válvulas lógicas do tipo encaixe “slip-in” de dois pórticos foram projetadas para serem instaladas em cavidades comuns do setor, em conformidade com as normas ISO 7368 (anteriormente DIN 24342).
Essas válvulas podem ser vistas essencialmente como estágios principais dos circuitos operados por piloto. Ao usar várias combinações de dispositivos de pilotagem, assento ou carretel, é possível obter uma ampla gama de funções direcionais, de pressão e de controle de vazão. A versão de 160 mm dessas válvulas pode transmitir fluxos extremamente altos – até 25.000 lpm (6.605 gpm) e pode suportar pressões de 42 MPa (6.090 psi). Embora a discussão a seguir não cubra todas as configurações de válvulas lógicas ou circuitos que se aplicam a elas, ela inclui princípios e aplicações básicas que são necessárias para entender como essas válvulas funcionam quando aplicadas em circuitos hidráulicos.
Sumário
O que são as válvulas de elemento lógico?
A chave para entender esse tipo de válvulas é reconhecer que sua operação ou funcionalidade se baseia em um desequilíbrio de forças que tentam abrir ou fechar a válvula. Como as áreas de trabalho e as forças de mola das válvulas são fixas, a funcionalidade depende puramente da pressão.
A válvula lógica de encaixe de dois pórticos é feita de vários subcomponentes, incluindo uma luva, um gatilho ou carretel e uma mola de pressão. Uma tampa aparafusada prende todos os itens no lugar (veja a figura abaixo). Essas tampas podem incluir controles de pressão, controles direcionais e até sensores para detectar a posição do gatilho ou do carretel.
Embora o padrão ISO não defina ou dite a construção de válvulas, a maioria das válvulas de elemento lógico no mercado compartilha características de projeto semelhantes. Uma única válvula lógica pode ser instalada em um manifold ou em múltiplos, juntamente com outras válvulas rosqueadas e montadas na superfície em um circuito completo e integrado para fornecer controle de muitas funções e parâmetros da máquina.
Os principais orifícios de alto fluxo são identificados A (por convenção, o nariz da válvula) e B (o lado). Os pórticos auxiliares são designadas como X (pressão piloto), Y (drenagem / retorno), Z1 e Z2. Quando aplicável, Z1 é a porta piloto alternativa preferida e Z2 é o dreno alternativo preferido de acordo com o padrão ISO.
As duas configurações comuns para válvulas lógicas são mostradas na figura a seguir. Eles geralmente têm três áreas pressurizadas e uma força de mola: A área do cabeçote / bobina exposta à porta A é designada como AA. A área do gatilho / bobina exposta à porta B é designada como AB. A área do gatilho / carretel exposta à câmara da mola é designada como porta piloto AX. O valor atribuído à força da mola é FS.
Aplicações e Tipos
A primeira versão de uma válvula lógica mostrada acima é do tipo diferencial (desigual) com uma área piloto AX maior que AA e uma área anular AB menor que AA. A área AX é igual à soma das áreas AA + AB. A força da mola FS contra o gatilho gera uma pressão que inclina o gatilho em direção à posição fechada, mesmo na ausência de pressão no AX.
Na condição de não passagem, a área piloto não é ventilada e a combinação de mola e forças hidráulicas mantém o gatilho fechado. Para a válvula abrir, a área piloto AX deve ser ventilada, internamente para a porta de baixa pressão ou externamente pela porta Y. A porta de entrada de fluido A abre o gatilho aplicando pressão na área AA e o fluido flui da porta A para B. O fluxo reverso de B para A também é possível nessa configuração, pois a entrada de fluido na porta B abre o gatilho aplicando pressão na área AB e fluxos de fluido da porta B para A. As válvulas lógicas de área diferencial (desigual) são usadas em aplicações direcionais e de controle de fluxo.
Uma segunda versão da válvula lógica mostrada na figura anterior é um tipo de área igual em que o diâmetro da sede é igual ao furo da luva, significando AA = AX. A abertura da válvula requer ventilação ou alívio da área piloto AX. A válvula é mantida fechada pela força de mola FS até que o fluido que entra na porta A abre o gatilho aplicando pressão na área AA e flui da porta A para B. (As funções de redução de pressão utilizam um design de carretel diferente e normalmente fluem da porta B para a porta A).
As áreas funcionais das válvulas lógicas têm proporções atribuídas a elas. A maneira como as relações das proporções de área são expressas pode variar de fabricante para fabricante. Para os fins práticos, a área piloto AX será descrita por sua relação com a área da porta de trabalho de AA, resultando em uma proporção sempre 1: 1 ou superior. Os índices listados são típicos, mas não incluem todos os que estão disponíveis, pois não há um padrão formal. Veja tabela a seguir:
O fechamento ou abertura controlada de uma válvula lógica depende em grande parte da aplicação ou ventilação da pressão do piloto na área AX do gatilho ou carretel. Isso geralmente é realizado conectando ou isolando internamente a fonte de pressão na área do AX através de uma perfuração na tampa (X) que passa para o coletor onde ele leva o mesmo nome. O pórtico X pode ser conectado diretamente à porta lógica da válvula A ou B para funções simples da válvula de retenção ou a outra fonte de pressão interna ou externa.
A pressão no pórtico X também pode ser controlada por várias válvulas piloto, dependendo da função da válvula lógica. Algumas tampas possuem válvulas direcionais ou de controle de pressão integradas, permitindo um controle mais flexível. A pressão é fornecida à válvula piloto através da porta X na tampa e é ventilada através da porta Y. Os orifícios podem ser ajustados nos locais rosqueados X, F e Y para fornecer uma taxa controlada de abertura ou fechamento do gatilho principal, para reduzir a taxa de descompressão ou aumento da pressão. Exemplos esquemáticos de pilotagem para controles direcionais e de pressão são mostrados abaixo.
As válvulas de elemento lógico ativas, também conhecidas como válvulas lógicas dinâmicas, são um projeto especial que pode ser usado em aplicações que exigem tempos de abertura e fechamento muito rápidos, além de um meio mais determinístico de garantindo que o gatilho ou carretel esteja assentado positivamente. As válvulas lógicas padrão têm uma área piloto de ação simples (AX), limitando o projeto apenas ao controle de três vias. Isso significa que a pressão é aplicada ao piloto área para fechar o gatilho contra as forças que tentam abri-lo.
Ao abrir totalmente, no entanto, a pressão na área piloto é reduzida ou ventilada passivamente para abrir a válvula para passar o fluxo, afetando os tempos de abertura e fechamento. As válvulas lógicas ativas têm uma área piloto de ação dupla, que permite o uso de uma válvula de controle direcional de quatro direções para controlar bidirecionalmente a abertura e o fechamento do gatilho ou carretel. Como resultado, as válvulas lógicas ativas oferecem controle mais confiável das pressões de comutação, proporcionando resposta em alta velocidade e para sistemas onde a baixa pressão do sistema pode afetar o desempenho desejado da máquina. As válvulas lógicas ativas estão disponíveis em proporções de área diferencial e igual para aplicações de controle direcional e de pressão.
A figura abaixo ilustra a aplicação de válvulas lógicas do tipo de área diferencial para estender e retrair um cilindro hidráulico. As válvulas lógicas são operadas por uma única válvula de controle direcional de quatro vias e três posições. A pressão do piloto para operar as válvulas é aplicada ou ventilada nas portas X.
Quando a válvula de controle direcional está na posição central, a pressão piloto é aplicada à porta X de todas as quatro válvulas lógicas, travando a haste do cilindro na posição. A haste do cilindro é estendida deslocando a válvula de controle direcional para o envelope esquerdo (P-B, A-T). Isso libera a pressão piloto da válvula 1, permitindo que o fluxo da linha de pressão flua através da válvula 1 da porta A para a porta B e depois para a extremidade do pistão do cilindro.
Ao mesmo tempo, a pressão piloto também é ventilada da válvula 3, permitindo que o óleo de retorno da extremidade da haste do cilindro flua através da válvula 3 da porta A para a porta B e depois para o reservatório. A pressão piloto é aplicada às portas X das válvulas 2 e 4, mantendo-as fechadas. A haste do cilindro é retraída de maneira semelhante deslocando a válvula de controle direcional para o envelope do lado direito (P-A, B-T). Isso libera a pressão piloto das válvulas 2 e 4, fornecendo um caminho através da válvula 2 para óleo pressurizado na extremidade da haste do cilindro e através da válvula 4 para retorno do óleo que flui para o reservatório.
Os circuitos de válvulas lógicas também são muito versáteis quando configurados com múltiplos válvulas de controle direcional. Muitas condições de centro ou cruzamento podem ser duplicadas por quais válvulas lógicas estão abertas e como elas são sinalizadas durante um ciclo.
No circuito acima, quatro válvulas lógicas de área diferencial são controladas por uma válvula de controle direcional solenoide única dedicada. Ao energizar ou desenergizar várias combinações de válvulas solenoides, podem ser realizadas até 12 posições de carretel exclusivas, incluindo regeneração, desvio de baixa pressão e muitas configurações de portas abertas e bloqueadas.
Conclusão
Um dos principais benefícios na utilização de válvulas de elemento lógico em projetos é a capacidade de vazão muito alta e o tempo de resposta mais rápido do que o das válvulas grandes do tipo carretel, que precisam eliminar sua sobreposição antes do início do fluxo.
Com válvulas lógicas, o fluxo começa assim que o gatilho começa a levantar do assento. Ao aplicar válvulas lógicas de área diferencial, é essencial considerar todos os aspectos da operação do sistema através de um ciclo completo da máquina.
Entendendo que a abertura e o fechamento controlados de uma válvula lógica dependem da pressão, as pressões que atuam nas áreas de conexão AA, AB ou AX, sejam maiores ou menores que o previsto durante o ciclo de trabalho, podem fazer com que uma válvula se abra ou feche inesperadamente. Isso pode causar mau funcionamento do circuito, resultando em baixo desempenho da máquina, danos mecânicos ou possíveis lesões físicas.
Todas as possíveis alterações de pressão em todo o circuito durante um ciclo devem ser cuidadosamente analisadas para garantir um projeto de sistema seguro e confiável. A funcionalidade previsível do circuito requer uma pressão piloto estável que é mais alta do que qualquer das pressões da porta de trabalho e pode exigir uma fonte de pressão piloto separada e dedicada. Modos de falha em que uma perda completa de pressão hidráulica ou um sinal de controle elétrico também deve ser analisada com salvaguardas adicionais implementadas.
