Magneetventiel voor een Enkelwerkende Pneumatische Cilinder

Hoe kies ik een pneumatisch magneetventiel voor een enkelwerkende pneumatische cilinder?

voorbeeld van regelkleppen voor pneumatiek

Voorbeelden van pneumatische richtingsregelkleppen op een verdeelblok.

Een enkelwerkende pneumatische cilinder is een lineaire actuator en realiseert een werkslag door de cilinder te vullen met perslucht. De retourslag wordt gewoonlijk uitgevoerd door een veer. De cilinder heeft één aansluitpoort die wordt gebruikt om de cilinder te vullen of te ontluchten. Om de cilinder te regelen, wordt een 3/2-wegklep gebruikt. 3/2-weg betekent drie poorten en twee posities: één poort is verbonden met de persluchtbron, één poort is nodig als uitlaat en de derde poort is verbonden met de cilinder. De klep heeft twee standen: vullen of ontluchten van de cilinder. De vereiste klepgrootte kan worden berekend zodra de cilinder- en toepassingseigenschappen bekend zijn.

Basisprincipe van enkelwerkende cilinders

Een pneumatische cilinder is een lineaire actuator die werkt met perslucht. De belangrijkste onderdelen van de cilinder zijn de zuiger, de zuigerstang, de cilinderbuis, pakkingen en afdichtingen. Enkelwerkende cilinders hebben ook een veer in de cilinder. Een enkelwerkende cilinder werkt met perslucht om de zuiger in één richting te bewegen en met veerkracht om terug te keren naar de basispositie. Het werk kan in de luchtrichting worden uitgevoerd. De cilinder heeft één poort die wordt gebruikt om perslucht toe te voeren en te ontluchten.

Er bestaan twee soorten enkelwerkende cilinders: cilinders met veerretour en cilinders met uitgeschoven veer. Het meest voorkomende type is de veerretourcilinder. In de veerretourcilinder bevindt de veer zich tussen de voorkant van de cilinder en de zuiger (rond de zuigerstang). Bij dit ontwerp schuift de zuigerstang uit wanneer perslucht naar de cilinder wordt toegevoerd. Zodra de luchttoevoer wordt onderbroken, trekt de zuigerstang zich door veerkracht terug. De veergestuurde cilinder werkt andersom. De zuiger trekt zich terug wanneer perslucht wordt toegevoerd. Wanneer de luchttoevoer wordt uitgeschakeld, duwt de veer de stang naar buiten. Bij cilinders met verlengde veer bevindt de veer zich tussen de zuiger en het achterste uiteinde van de cilinder.

Symbolen van enkelwerkende cilinders

Figuur 2: Symbolen van pneumatische cilinders volgens ISO1219-1; Externe krachtterugkeer (links), veerretour (midden) en veeruitbreiding (rechts)

Het gebruik van enkelwerkende cilinders heeft enkele voordelen ten opzichte van dubbelwerkende cilinders: minder slangen, minder gebruik van perslucht, en er is minder bedrading nodig voor het systeem. Enkelwerkende cilinders hebben ook nadelen: de veer neemt ruimte in beslag en beperkt de slag van de cilinder. Bovendien verminderde de veerkracht de pneumatische kracht en beperkte de resulterende kracht van de cilinder.

Pneumatische cilinder met veerretour en veerverlenging

Figuur 3: Een enkelwerkende pneumatische cilinder met veermechanisme (A) en veerretour (B).

De enkelwerkende cilinders kunnen worden gespecificeerd aan de hand van de volgende sleutelparameters:

  • Slaglengte
  • Boring
  • Zuigerdiameter
  • Veerkracht
  • Systeemdruk

De slag is de afstand tussen het einde en de basispositie (lengte van de beweging). De boring is de diameter van de zuiger. Om de juiste cilinder te kiezen, volgt u de dimensioneringsmethode van de fabrikant van de cilinder. De enkelwerkende cilinder wordt gewoonlijk aangestuurd door een klep met drie poorten, bijvoorbeeld een pneumatisch magneetventiel. Eén poort is verbonden met de persluchtbron, de tweede poort wordt gebruikt om lucht naar de cilinder te voeren en de derde poort is een uitlaatpoort.

Basisprincipe van pneumatische magneetventielen

Werking

Pneumatische magneetventielen worden gebruikt om de stroomrichting van perslucht te regelen. Een bewegend onderdeel in de klep blokkeert of opent de poorten van de klep. Het bewegende deel wordt spoel of zuiger genoemd. De beweging van de spoel kan op twee manieren worden geregeld: directe bediening of indirecte bediening.

Bij directe bediening wordt de spoel rechtstreeks door de elektromagneet bediend. Direct bediende kleppen zijn onafhankelijk van de systeemdruk, en kunnen daarom worden gebruikt voor lage drukken of vacuüm.

Bij indirecte werking wordt de spoel niet rechtstreeks door de elektromagneet bediend. De klep maakt gebruik van de systeemdruk om de spoel te bewegen. Hiervoor wordt een extra stuurventiel gebruikt. De stuurventiel is een kleine direct bediende 3/2-wegklep. Het stuurventiel levert perslucht aan een kleine luchtcilinder in het ventiel. De perslucht in deze cilinder oefent een kracht uit op de zuiger en bedient de spoel om de klep te schakelen. Zo kan een relatief kleine solenoïde worden gebruikt om de klep te schakelen. Deze kleppen worden intern gestuurd genoemd, en hebben een inlaatdruk nodig om te kunnen schakelen. Daarom kunnen deze kleppen niet worden gebruikt voor vacuümtoepassingen, tenzij de stuurklep wordt bediend met een externe bron van perslucht (extern gestuurd).

Typen pneumatische magneetventielen

Er zijn verschillende soorten pneumatische magneetventielen beschikbaar. De klepfunctie is altijd afhankelijk van de toepassing. De meest voorkomende ventielfuncties in pneumatische systemen zijn:

  • 5/2 monostabiel
  • 5/2 bi-stabiel
  • 5/3 middengesloten
  • 5/3 middenuitlaat
  • 5/3 middendruk
  • 3/2 bi-stabiel
  • 3/2 normaal open (NO)
  • 3/2 normaal gesloten (NC)
  • 2/2 normaal open (NO)
  • 2/2 normaal gesloten (NC)
symbolen van 3/2-weg magneetventielen

Figuur 4: Symbolen voor 3/2-weg magneetventielen; normaal open & monostabiel (links), normaal gesloten & monostabiel (midden) en normaal gesloten & bi-stabiel (rechts).

De 3/2-wegklep kan normaal open (NO) of normaal gesloten (NC) zijn. Een normaal open (ventiel laat de lucht van poort 1 naar poort 2 stromen, wanneer het niet wordt bediend. Als de solenoïde wordt bekrachtigd, schakelt de klep en wordt de lucht van poort 2 naar poort 3 afgevoerd. Een normaal gesloten klep werkt omgekeerd. Wanneer de elektromagneet wordt uitgeschakeld, wordt de lucht van poort 2 naar poort 3 afgevoerd. Zodra de solenoïde wordt bekrachtigd, schakelt de klep en kan perslucht van poort 1 naar 2 stromen. Normaal gesloten kleppen zijn de meest voorkomende. Er bestaan ook NO/NC kleppen, deze kleppen kunnen in beide richtingen worden gebruikt (NO/NC).

De 3/2-weg magneetventielen kunnen mono- of bi-stabiel zijn. Monostabiele kleppen zijn vaak veerretour en werken als een deurbel: ze blijven geschakeld/actief zolang de solenoïde bekrachtigd is. De bi-stabiele versie heeft vaak twee solenoïden en werkt als een lichtschakelaar; hij wordt geschakeld met een puls van de ene solenoïde, en teruggeschakeld met een puls van de andere solenoïde.

symbolische weergave van een veerretourcilinder bestuurd door een NC monostabiele 3/2-weg magneetklep

Figuur 4: Symbolische weergave van een veerretourcilinder die wordt aangestuurd door een monostabiele NC 3/2-weg magneetklep. In de rusttoestand van de magneetklep (links) trekt de cilinder zich door veerkracht terug en kan de lucht via de uitlaat ontsnappen. In de bekrachtigde toestand van de klep (rechts) is de cilinder gevuld met lucht en wordt hij uitgeschoven.

Om een enkelwerkende cilinder te besturen, wordt een 3/2 ventiel gebruikt. De 3/2-klep heeft drie poorten en twee standen. De poorten zijn IN (1 of P), OUT (2 of A) en EXHAUST (3 of R). De klep heeft twee standen: één om de cilinder onder druk te zetten (lucht stroomt van poort 1 naar 2, poort 3 is gesloten), en de andere om lucht uit de cilinder naar de uitlaat te blazen (lucht stroomt van poort 2 naar 3, poort 1 is gesloten). Voor de aansluiting op de IN- en OUT-poorten kunnen diverse fittingen worden gebruikt. Er kan een geluiddemper worden geïnstalleerd in de uitlaatpoort om het akoestische geluid te verminderen. De voetafdruk van de klep (montagegaten) wordt gespecificeerd door de fabrikant of normen, zoals de NAMUR- of ISO-norm. De kleppen kunnen ook op een voetstuk of manifold worden gemonteerd.

Afsluiterafmetingen

Om de juiste grootte van het ventiel te bepalen, moeten het luchtverbruik van het pneumatische systeem en het vereiste luchtdebiet worden berekend. Voor de berekening kan de wet van Boyle-Charles (pV=nRT) worden gebruikt. In het geval van een enkelwerkende cilinder zijn het cilindervolume, de buislengte, de werkingsfrequentie en het systeemverlies van belang voor de berekening.

mathjax luchtverbruik per cyclus
mathjax luchtverbruik per minuut
mathjax Debiet tijdens werkslag

waar:

  • A: drukontvangend oppervlak [mm2 ]
  • a: binnendoorsnede van de pijp [mm2 ]
  • p: toevoerdruk [MPa] (1MPa = 10bar)
  • N: bedrijfsfrequentie [cyclus/min]
  • L:cilinderslag [mm]
  • l: leidinglengte [mm]
  • t: totale slagtijd [s]
  • T: temperatuur [K] (K = °C + 273,15)

De bovenstaande formules zijn geldig voor A.N.R. omstandigheden. Het symbool A.N.R. is een Franse afkorting voor "conditions de l'atmosphère normale de rèfèrence", wat betekent "standaard atmosferische referentieomstandigheden" (20℃, 1013mbar, vochtigheid (relatief) 65%).

schematische tekening van een pneumatisch circuit van een enkelwerkende cilinder met een 3/2-wegklep

Figuur 5: Pneumatisch circuit met een enkelwerkende veerretourcilinder en een NC 3/2-wegklep.

Voorbeeld

In dit voorbeeld bevat een pneumatisch systeem een enkelwerkende veerretourcilinder, met de volgende parameters:

  • Systeemdruk = 0,5 MPa (5 bar)
  • Temperatuur = 293K (20°C)
  • Cilinderslag (L) = 50 mm
  • Boring / Zuiger diameter = 40 mm

Om de cilinder met de 3/2 klep aan te sluiten, wordt de volgende buis gebruikt:

  • Leidinglengte (l) = 2 m
  • Buisbinnendiameter (d) = 4 mm

De vereiste werkingsfrequentie (N) is 50 cycli/min.

Het drukontvangend oppervlak kan worden berekend aan de hand van de boring:

Mathjax - Berekening drukontvangstgebied

De binnenkant van de pijp is:

Mathjax - Berekening binnenbuisoppervlak

Nu kan het luchtverbruik op het moment van extrusie (Q) worden berekend. In dit geval is dit ook het luchtverbruik voor één cyclus:

Mathjax- Luchtverbruik bij extrusie

Het luchtverbruik/minuut is:

Mathjax- Luchtverbruik per minuut

De totale slagtijd (t) bedraagt 0,6 s.

Het vereiste luchtdebiet:

Mathjax - vereiste luchtstroom

Wanneer het luchtverbruik en het vereiste luchtdebiet zijn berekend, kan de klep worden geselecteerd. De gegevensbladen van de kleppen moeten worden gecontroleerd om de juiste kleppen te vinden. Alle gegevensbladen bevatten informatie over het debiet van de kleppen (zie onderstaande afbeelding). Het debiet van de gekozen klep moet hoger zijn dan het vereiste luchtdebiet van het systeem. Alle pneumatische systemen hebben enig lucht- en drukverlies!

Stroomdiagram

Figuur 6: Voorbeeld van een debietdiagram met het nominale debiet (L/min) afgezet tegen de inlaatdruk en het drukverlies.

In het voorbeeld moet het luchtdebiet van de klep meer dan 50 dm3/min bedragen terwijl de systeemdruk 0,5 MPa is. Het debiet in dm3/min is gelijk aan l/min. De MPa-waarde kan ook worden veranderd in bar, zodat 0,5 MPa gelijk is aan 5 bar druk. Met behulp van het debietdiagram kan worden vastgesteld dat de kleinste klep (type PS-32AS-AM5) groot genoeg is voor dit systeem. Bij 5 bar kan het ventiel ongeveer 300 l/min perslucht leveren.

De geselecteerde klep kan de enkelwerkende cilinder bedienen, maar de werkingsfrequentie van de cilinder (zuigersnelheid) kan hoger zijn dan vereist, omdat het debiet van de klep niet hetzelfde is als het berekende vereiste debiet. De snelheid van de zuiger kan worden aangepast door een smoorklep die op de uitlaatpoort van de magneetklep is gemonteerd. Het materiaal van de klep, de omgeving (stof, water of andere chemische druppels, mediumtemperatuur, omgevingstemperatuur), IP-niveau, minimum-maximumdruk en spanning zijn andere belangrijke factoren voor de selectie. De juiste ventielgrootte alleen is niet voldoende om een goed pneumatisch systeem te bouwen.