Selección adecuada de las válvulas direccionales neumáticas - Parte I.

Existen diez parámetros básicos que definen las principales características de funcionamiento y rendimiento de las válvulas direccionales neumáticas, y que es preciso presentarlos para establecer criterios de comparación entre los mismos productos de distintos fabricantes:

1. Número de vías y posiciones.2. Tamaño (caudal).3. Tipos de mando.4. Características de presión.5. Montajes.6. Frecuencia de actuación.7. Solenoides.8. Temperaturas de uso.9. Modularidad.10. Repuestos.

 

1) Número de vías y posiciones

El número de vías y posiciones se indica, según normas IRAM 4542 e ISO 1219, mediante dos cifras separadas por una barra, por ejemplo: 2/2, 3/2, 5/3, etc.

El primer dígito indica el número de vías u orificios de la válvula, sin contar los de pilotajes; la segunda cifra muestra el número de posiciones distintas que puede adoptar el distribuidor de la válvula en forma estable o no.

Una válvula 3/2 se emplea como emisora de señales, selectora de circuitos, selectora de presiones, para actuar un cilindro de simple efecto, etc. En cambio, para comandar un cilindro de doble efecto se precisa una válvula 4/2 ó 5/2.

Las válvulas de 5 vías tienen la ventaja respecto a las de 4 vías de poseer un orificio de descarga para cada utilización, por lo que pueden regularse los escapes en forma independiente.

Las válvulas de 3 posiciones permiten detener cilindros neumáticos en puntos intermedios de su carrera, presentan las variantes de centro abierto, centro cerrado y centro a presión.

En el primer caso, la posición central comunica las utilizaciones con los escapes, en consecuencia, el cilindro queda detenido sin presión y su vástago puede ser movido a mano.

En contraste, en válvulas de centro cerrado, en la posición central se obstruyen todas las vías y el cilindro queda bloqueado en su posición con presión en ambas cámaras, con la relativa precisión que da el hecho de que el aire sea compresible.

Finalmente, en las válvulas con centro a presión en la posición central, el aire de alimentación a la válvula queda conectado a las bocas de utilización del actuador, permaneciendo entonces a presión ambas cámaras del mismo, mejorando significativamente su posicionamiento.

2) El tamaño de las válvulas

Es lo que suele presentar más inconvenientes, porque varios son los criterios que pueden utilizarse para definir la capacidad de las mismas.

Un criterio práctico puede regirse por la elección de la válvula según su conexión y el diámetro del actuador. Se tendrá por ejemplo:

Las combinaciones establecidas en la misma constituyen sólo un lineamiento general para el dimensionado, con las cuales se alcanzan en los actuadores velocidades satisfactorias para aplicaciones normales, con longitudes de tuberías razonables.

Frente a exigencias específicas de velocidad, no es suficiente elegir a las válvulas por su rosca de conexión.

Para realizar un análisis de caudales se suele encontrar tres magnitudes que representan las capacidades de las válvulas Kv, Cv y Qn:

El factor Kv representa el caudal de agua en litros por minuto que pasa a través de la válvula con una pérdida de carga de 1 bar, medida entre la entrada y la salida de la misma.

El factor Cv es el equivalente británico del factor Kv, y significa el caudal de agua en galones por minuto (gpm) que pasa por la válvula cuando la caída de presión en ella sea de 1 psi (1 lb/pulg2).

El caudal nominal Qn representa el caudal de aire normal en Nl/min que pasa por la válvula con una presión de alimentación de 6 bar y una pérdida de carga de 1 bar, esto es con presión de salida de 5 bar.

Suele expresarse también en otras unidades equivalentes, tales como N3m/h, Nl/seg, etc.

Existen factores que permiten convertir las características de caudal de un sistema a otro. La tabla siguiente relaciona valores de Qn con los respectivos de Kv y Cv.

Existe otra característica que da idea del tamaño de la válvula: el diámetro nominal, el cual indica la sección mínima del pasaje principal de la válvula. Esta dimensión tomada en forma aislada puede resultar engañosa, puesto que no significa que la válvula tenga un pasaje equivalente de tal diámetro y, por lo tanto, una pérdida de carga de acuerdo a eso, sino que su caída de presión dependerá de cuan intrincados sean sus pasajes internos más que de su diámetro nominal. Por estos motivos, hoy se ha dejado de utilizar y se ha dado paso a las de arriba mencionadas.

 

3) Tipos de mandos

Los grandes grupos de señales de mando o pilotaje son:

Mando manual: botón pulsador, botón rotante, golpe de puño, palanca, pedal, etc.

Mando mecánico: esfera, varilla, palpador, rodillo, rodillo escamoteable, directo, etc.

Mando neumático: directo o indirecto por servomando, es actuado por presión o depresión neumática.

Mando eléctrico: con solenoides de acción directa o indirecta, accionando un servomando neumático.

 

4) Características de presión

Una válvula neumática suele poseer más de una característica de presión: Por presión de trabajo se entiende el rango de presión definido por una mínima necesaria y una máxima admisible dentro del caudal en el que debe funcionar la válvula. Por el contrario, la presión de pilotaje es el rango de presiones con el que la válvula puede conmutar sus posiciones, cuando es accionada por señales neumáticas o electroneumáticas.

La presión mínima de pilotaje es el menor valor de presión que debe estar presente para garantizar la conmutación segura de la válvula.

Para sintetizar estos conceptos en un ejemplo, se puede tener una válvula cuya presión de trabajo va de 0 a 10 bar y su presión de pilotaje de 2,5 a 8 bar, valores que dependen de su propia construcción. Si se deseara trabajar esta válvula con una presión de trabajo de 2 bar, será posible hacerlo sólo si se recurre a alimentar en forma independiente los pilotajes con una presión comprendida entre 2,5 bar mínimo y 8 bar máximo, mientras que en las utilizaciones se puede estar conduciendo el fluido a 2 bar y aún menos.

En este informe técnico, MICRO continúa presentando los otros seis parámetros básicos que precisan las particularidades de funcionamiento y rendimiento de las válvulas direccionales neumáticas, y que son esenciales conocerlos para establecer criterios de comparación entre los mismos productos de distintos fabricantes:

5) Montajes

Los tipos de montajes más frecuentes en válvulas direccionales neumáticas son:

Válvulas con conexiones en el cuerpo. Válvulas con base unitaria de conexionado. Válvulas con bases de montaje múltiple o en manifold. Islas de válvulas.

En el caso de válvulas con conexiones en el cuerpo, las roscas de conexionado están mecanizadas sobre el mismo cuerpo de la válvula. Esta simplicidad de conexionado, utilizada en muchísimas aplicaciones, encuentra su complicación cuando se requiere una alta productividad de fabricación que priorice los tiempos de cambio de válvula al momento de una reparación, además de una reducción de posibles fugas, a causa de su conexión por reparar repetidamente la misma válvula con el consiguiente desconexionado/conexionado de sus conectores.

Las válvulas de conexionado con bases solucionan lo mencionado anteriormente, debido a que en este caso sólo debe cortarse la alimentación de aire comprimido, sin necesidad de desconectar las conexiones y tuberías.

Por otra parte, respetando normativas de conexionado, solucionan rápidamente y de forma 

conveniente el reemplazo de partes, puesto que la geometría de la interfase entre cuerpo y base se encuentra normalizada por normativas tales como ISO 5599/1 y VDMA 24345. Esto es significativo, debido a que admite el reemplazo de válvulas de cualquier fabricante que cumpla con estas normativas, sin ninguna modificación en las conexiones o fijaciones de las válvulas.

Los montajes en manifold resultan ideales para economizar costos, espacio y tiempo de conexionado, porque conducen la alimentación y los escapes por conductos comunes para todas las válvulas. Se logra también una instalación compacta por un tendido racional de las tuberías, ideal para tableros de comando.

Mediante la centralización de un grupo de operaciones afines, las estaciones de válvulas cuentan con un conexionado eléctrico más ordenado, reduciendo tiempos de conexionado eléctrico en operaciones de montaje, mantenimiento y detección de falla.

Conjuntamente a las ventajas en cuanto al montaje, las estaciones de válvulas aceptan la interrelación entre las diferentes unidades y el control central del sistema automatizado a través de buses de campo.

6) La frecuencia de actuación

La frecuencia de actuación es un dato que refleja la rapidez de la válvula para conmutar sus posiciones. Generalmente, expresada en ciclos por segundo (Hz), significa la cantidad de veces que en la unidad de tiempo la válvula puede conmutar, o lo que es lo mismo, cambiar su estado o posición y retornar al origen, habiendo alcanzado en las bocas de utilización la presión nominal.

El tiempo de respuesta o tiempo de conmutación, siendo la conversión:

No debe interpretarse que una válvula con una frecuencia de actuación de 20 Hz, conectada a un cilindro neumático pueda producir 20 avances y retornos en un segundo, porque hay inercias a vencer del vástago y pistón; el llenado y la evacuación del aire de las cámaras y tuberías tienen su propia velocidad. Este dato sólo cobra importancia cuando existan exigencias de velocidad en la transmisión de señales por parte del circuito o éste sea controlado mediante componentes electrónicos del bus de campo.

7) Solenoides

Varios son los elementos de entrada que definen una correcta elección del solenoide. El valor de tensión de trabajo del solenoide resultará importante mantenerlo en un rango de tolerancia que no supere en un ± 10% de su valor especificado, para mantener el llamado ED del solenoide que representa el tiempo de conexionado del mismo. Dichas propiedades se encuentran homologadas bajo distintos entes certificadores tales como UL y CE.

Otra característica importante es la potencia necesaria en el solenoide, para lograr utilizar la válvula satisfactoriamente. MICRO ofrece distintos modelos de solenoides que permiten operar las válvulas con una energía que puede ser de 1 o hasta 10 Watt, sin considerar los solenoides piezoeléctricos que consumen 0,001 Watt.

Asimismo, a la hora de elegir un solenoide será significativo precisar el grado de protección descripto bajo normativa, que define la capacidad del componente a resistir el ataque de cuerpos sólidos y líquidos de diferentes tamaños y contexturas.

Por otro lado, desde el punto de vista de la seguridad operativa, deberá precisarse el modo de protección del solenoide si este fuera utilizado para ambientes peligrosos, existiendo para ello distintos modos de protección, a saber, encapsulado, y los de modo de protección con seguridad intrínseca y tecnología piezoeléctrica.

8) Temperatura de uso

La característica de temperatura define el campo dentro del cual debe funcionar la válvula.

El condicionamiento de temperaturas admisibles está dado fundamentalmente por dos aspectos: los materiales empleados en los sellos de estanqueidad, y los diferentes coeficientes de dilatación, correspondientes a las partes en movimiento con reducidos huelgos.

Para las electroválvulas será trascendente verificar que en el bobinado de los solenoides se empleen alambres con aislaciones adecuadas, por ejemplo, case H.

La característica de conexionado ED de las electroválvulas debe ser preferiblemente del 100% para asegurar una mayor vida útil del componente, aún en servicio continuo.

Análogamente, el material utilizado para el encapsulado debe poseer un alto poder de transmisión del calor para evitar el recalentamiento innecesario del bobinado, el envejecimiento de la aislación y su posterior falla por cortocircuito.

9) Diseño modular

El concepto de diseño y construcción modular en válvulas reviste suma importancia. Por ejemplo, en el caso en el que sea preciso modificar en un circuito la naturaleza de las señales de mando, ya sea en la etapa de puesta en marcha o en la operación de una instalación. Allí es cuando toma jerarquía la idea de modularidad, pues siempre será más económico reemplazar una cabeza de mando o reacción que una válvula completa, y esta posibilidad queda abierta o no en una selección inicial adecuada.

10) Repuestos

Algo que habitualmente no se tiene en cuenta en la selección de válvulas es el mantenimiento posterior de la misma, estrechamente ligado a la disponibilidad de repuestos legítimos del fabricante.

Una válvula neumática, si bien es diseñada para desarrollar un elevadísimo número de maniobras, posee partes en movimiento que como tales sufrirán desgaste, más aún si las condiciones de servicio no son las ideales.

Por lo tanto, es muy significativo trabajar con componentes de los cuales se pueda disponer de los kits de reparación y repuestos originales en el futuro, en forma rápida, y que garanticen la confiabilidad e intercambiabilidad.