Construcción de una válvula de mil millones de ciclos

En Clippard Instruments Laboratories en Cincinnati, esta necesidad impulsó el desarrollo de una nueva familia de válvulas de solenoide bidireccionales denominada DV. Su construcción única se basa en tecnología desarrollada para las válvulas EV probadas y confiables de la compañía. Pero ofrece de cinco a seis veces el flujo en el mismo diseño compacto. Y su vida nominal supera los mil millones de ciclos.

Desafío de ingeniería

Al igual que su predecesor, el DV consta de tres componentes básicos: la carcasa y el solenoide;base con boquillas para guiar el flujo;y un conjunto de resorte de «araña» que incluye una válvula de asiento, un sello sobremoldeado y un disco magnético.

El DV fue un desafío para desarrollar, por decir lo menos, admite el ingeniero de diseño de Clippard, Dave McBreen. Su objetivo era actualizar este diseño básico para aumentar significativamente el flujo sin cambiar significativamente el tamaño total de la válvula.

Explicó que, si bien era una limitación de diseño importante, el tamaño pequeño era imprescindible, ya que los usuarios confían en estos grupos de válvulas para manejar una variedad de tareas.»Se utilizan en equipos de embalaje, equipos médicos, instrumentos analíticos y muchos otros lugares. Las aplicaciones industriales a menudo tienen colectores de estaciones múltiples donde las válvulas se montan lo más juntas posible para minimizar los requisitos de espacio. Por lo tanto, el diámetro exterior de la válvula DV no puede exceder los tres cuartos de pulgada. «

El primer obstáculo al que se enfrentaron los ingenieros de Clippard fue diseñar una bobina de solenoide que encajara en una carcasa disponible y que pudiera generar suficiente energía para mover la válvula a alta presión, o determinar que era imposible. Las especificaciones del producto enumeran el tamaño máximo, el nivel de potencia mínimo y el flujo máximo a una presión estándar de 100 psi. Los tiempos de respuesta deben estar en el rango de 10 a 15 milisegundos para una operación de alta velocidad.

La pregunta es, ¿cuánto magnetismo puede generar una bobina y qué tamaño de disco magnético se necesitaría para tirar de una precarga de media libra?»Con el diseño de la bobina, se trata de vueltas de amperios», explica McBreen.»Obtienes el máximo rendimiento por tu dinero envolviendo y aumentando el diámetro, en lugar de volverte más alto». La tecnología de bobinas no ha avanzado mucho desde el desarrollo de EV, por lo que McBreen no ha encontrado ninguna panacea en la última generación de solenoides.»Todavía está enrollando el cable alrededor del carrete», dijo. Consideraron los actuadores de bobina de voz, pero los encontraron demasiado caros y tenían una confiabilidad a largo plazo no probada.»Lo mejor para nuestro diseño era utilizar una bobina enrollada estándar», dijo McBreen.

Con tantas variables y tantas iteraciones, los ingenieros de Clippard desarrollaron un programa de software de calculadora de bobinas para simplificar el proceso de diseño. Les permite optimizar las bobinas en un tiempo relativamente corto.

«Básicamente, estamos diseñando un carrete», dijo McBrin, «y conocemos el diámetro interior y exterior del carrete, su altura y el grosor de la pared. El software nos permite insertar geometría y luego ingresar diferentes calibres de cable. Nos muestra cuantas vueltas de amperios podemos obtener con alambre calibre 34, alambre calibre 32, etc. Escribimos la combinación que nos acerca, luego hacemos cambios limitados en la geometría del carrete para modificarla. «

Eligen desarrollar programas internamente en lugar de depender de software estándar porque tienen objetivos muy específicos. Explicó que es como comprar un paquete FEA con muchas opciones que no necesita y que no se ajustan a su problema.»La calculadora de bobinas nos dio lo que queríamos, y ese es obviamente el camino a seguir».

Los ingenieros utilizaron la calculadora junto con EMS, un programa simulador de campo electromagnético en 3D de ElectroMagneticWorks en Montreal. Les permitió sintonizar el circuito magnético resultante, con resultados impresionantes.»Me sorprendió la precisión», admitió McBrin. El primer prototipo cumplió con todos los requisitos físicos y se desempeñó dentro del rango previsto del 5 %, que estaba dentro de las tolerancias estándar de la bobina.

mayor tráfico

El próximo obstáculo de ingeniería es diseñar pasajes de flujo que aumenten la capacidad de la válvula sin aumentar el tamaño.»Si observa la naturaleza de las válvulas de dos vías, especialmente las válvulas montadas en manifold, el aire entra por la parte inferior, fluye hacia la válvula, luego hace un giro de 180° y baja por el orificio de salida y regresa al manifold. Eso por sí solo crea restricciones alrededor de las cuales debe diseñar para obtener el tráfico necesario”, explica McBreen.

Examinaron muchas formas diferentes de orificios y canales en una búsqueda para maximizar el flujo. Por ejemplo, ciertas geometrías de boquilla y el radio del borde de la boquilla brindan condiciones de flujo más suaves y laminares, lo que da como resultado un flujo constante y más alto. Otro beneficio es la menor fricción entre el orificio y el sello de la boquilla correspondiente, lo que reduce la precarga y el desgaste.

Los ingenieros confiaron en el análisis de dinámica de fluidos computacional, en este caso Flow Simulation CFD de Dassault Systèmes SolidWorks en Waltham, Massachusetts, y pruebas físicas, utilizando prototipos mecanizados para validar conceptos. CFD ha demostrado ser una excelente herramienta para modelar el flujo a través de válvulas individuales y examinar opciones, dijo McBreen. Sin embargo, simular un conjunto de válvulas montadas en un colector requiere mucho tiempo y tiene demasiados caminos que considerar.

resorte de araña

Quizás el componente visualmente más interesante en el DV es la araña, un resorte inusual que mueve la válvula cuando el solenoide está desenergizado. La configuración única desarrollada por los ingenieros de Clippard le permite generar suficiente fuerza a partir de resortes extremadamente compactos con poco o ningún movimiento: el DV tiene solo 0,018 pulgadas de carrera y aproximadamente 0,018 pulgadas de precarga del resorte. Se necesita una carrera mínima para garantizar un control preciso y un flujo máximo a frecuencias operativas de hasta 32 Hz, dice McBreen.

Obtener la configuración correcta requirió un análisis FEA intensivo de varios diseños de araña en SolidWorks.»Queríamos que las piernas fueran lo más largas posible para obtener el viaje más largo posible dentro de nuestras limitaciones de espacio», dijo McBrin. Por lo tanto, el número, la forma, la longitud y el diseño de los estabilizadores, los radios de transición y muchos otros factores se estudiaron y ajustaron para llegar a la carrera y la tasa de resorte adecuadas, manteniendo los niveles de tensión lo suficientemente bajos como para garantizar una vida útil extremadamente larga.

Señala que las patas del resorte de araña son largas, angostas y curvas, lo que dificulta su maquinado o fabricación mediante estampado, pero es fácil de grabar. El proceso comienza con una placa plana de acero inoxidable 17/7-PH de 0,020 pulgadas de espesor, que luego se graba químicamente para formar la configuración final. Una operación de acabado elimina los elevadores de tensión y les da una superficie similar al vidrio. El proceso mantiene las tolerancias en ±0,001 pulgadas para algunas características, por lo que hay poca variación entre las piezas. Esto ayuda a garantizar un rendimiento uniforme de una válvula a otra.

prueba prueba

Los ingenieros probaron múltiples evoluciones de la válvula para justificar el diseño, evaluar diferentes técnicas de fabricación y garantizar la durabilidad de la DV. Teniendo en cuenta la esperanza de vida de mil millones de ciclos, esto requiere algo de paciencia, ya que implica hacer funcionar la válvula a 32 Hz y las 24 horas del día, los 7 días de la semana durante un año. El banco de pruebas requería relés de estado sólido porque los contactores mecánicos se quemarían en condiciones tan duras. Las unidades se prueban a varias presiones de 0 a 100 psi, el tiempo de respuesta se controla regularmente y las válvulas se revisan para detectar fugas y desgaste de los sellos cada 50 millones de ciclos.

La principal preocupación de McBreen era que el sello de asiento sobremoldeado se descascararía del metal base con el tiempo, pero eso nunca fue un problema. Sin embargo, un dilema imprevisto del primer prototipo fue la corrosión por contacto entre el disco magnético y la carcasa.

McBreen explicó que el diseño original requería un espacio extremadamente pequeño entre las dos partes para aprovechar al máximo el campo magnético disponible.»Obviamente, está un poco demasiado cerca». Sin embargo, resolver el problema no es tan simple como ampliar la brecha.»Si haces que la brecha sea demasiado grande, entonces pierdes parte del magnetismo». Una vez más, recurrió al software EMS para optimizar el tamaño y asegurarse de que el disco permaneciera centrado y se deslizara con una fricción mínima, manteniendo la fuerza del campo magnético deseada.

El pragmático McBrin dice que esta frustración es inherente a la ingeniería.»Es parte del proceso de optimización. Analytics solo le mostrará tanto y lo llevará al rango correcto. Es por eso que lo prueba para averiguar qué cambios relativos puede hacer para mejorar el producto final. «

problemas de fabricación

Debido a que el DV tiene muchas piezas que funcionan y un recorrido extremadamente corto, las tolerancias de las piezas pueden ser una pesadilla.»Si no tiene cuidado, la pila de tolerancia coincidirá con la carrera y la válvula no funcionará. La batalla es cómo controlar esas tolerancias sin disparar los costos de fabricación», dijo McBreen.

«Es un poco complicado, pero podemos controlar ciertas funciones con mucha precisión, por lo que elimina parte de la pila», dijo. Es por eso que las piezas se fabrican en la fábrica de Clippard en Cincinnati.“Uno de nuestros nichos es muy bueno para mecanizar piezas con tolerancias muy estrechas. Tenemos el equipo adecuado, lo hemos estado haciendo durante mucho tiempo y es menos costoso que usar un proveedor externo. «

Garantizar que el DV sea fácil de fabricar y ensamblar también fue una preocupación importante desde el principio. Un ejemplo que cita McBreen es elegir una boquilla moldeada en lugar de una boquilla mecanizada. Mecanizar agujeros pequeños en acero inoxidable y mantener tolerancias extremadamente estrechas es difícil, y las piezas tardan demasiado en fabricarse. En su lugar, un proveedor importante utiliza boquillas moldeadas Ultem que son dimensionalmente estables y mantienen ±0,001 pulgadas de diámetro interno y otras dimensiones críticas. Ellos controlan estrictamente el proceso para asegurar una excelente repetibilidad, dijo.

La boquilla de plástico también permite que el fabricante expulse manualmente el sello radial, que descansa contra la carcasa y tiene la relación adecuada con la telaraña. Este subensamblaje proporciona la precarga necesaria prácticamente sin fricción con el suelo.

El ensamblaje del DV requiere un ajuste a presión simple, no se requieren juntas. Los tres subconjuntos se ensamblan con herramientas simples y cada válvula se prueba automáticamente antes de enviarla al cliente.

En comparación con las válvulas EV, el proceso de fabricación optimizado de DV ahorra minutos de tiempo de producción por pieza, una ventaja significativa en grandes
Importante ahorro de tiempo en la producción en masa.

Especificaciones del producto

El DV tiene una capacidad nominal de 100 lpm, 50 psi, 0,070â_x005F_x0080__x005F_x0091_in. Orificio, 100 lpm, 100 psi, 0,052 pulg.agujero.

Es adecuado para su uso con aire y otros gases compatibles y actualmente se está probando con agua. El asiento de la válvula está hecho de acero inoxidable 303 y todos los imanes son de acero inoxidable 430F. Otros materiales «humectantes» incluyen Ultem y sulfuro de polifenileno (PPS). Ultem es una resina de polieterimida termoplástica con excelente resistencia al calor, alta resistencia y rigidez, y amplia resistencia química. De manera similar, el PPS tiene una excelente resistencia química, así como estabilidad térmica y dimensional. Los sellos en el DV suelen ser de nitrilo, pero FKM, silicona y EPDM están disponibles bajo pedido.

McBreen dice que la válvula tiene pasajes de flujo bastante grandes y es muy resistente a la suciedad. Funciona bien con aire filtrado hasta 40 μm y ofrece una característica importante y fácil de usar: la válvula es fácil de quitar y limpiar.

Los voltajes de control suelen ser de 12 y 24 V CC, pero muchos usuarios diseñan sus propios circuitos. Un ejemplo es una actuación de golpe/retención, que energiza momentáneamente una válvula a la tensión nominal y luego la baja en aproximadamente un 33 % para mantener la posición de la válvula. Algunos incluso se quedan sin AC rectificada. El consumo de energía es de 1,9 W.

Disponible en opciones de montaje en colector y cartucho, la válvula tiene puertos #10-32 y 0,75 pulg. Cuerpo. Clippard también está haciendo versiones métricas para marketing global. Tiene un puerto M5 y un cuerpo de 19 mm.

Mercados y Aplicaciones

Las válvulas DV son adecuadas para
Muchas aplicaciones en diversas industrias.»Creemos que esta es una válvula muy optimizada», enfatiza McBreen.»Tiene un paquete pequeño, genera poco calor y consume poca energía. Montados en centros de tres cuartos de pulgada, circulan mucho aire y tienen un precio muy competitivo. «

Él enumera una gama de aplicaciones potenciales, como en dispositivos médicos como manguitos de presión arterial, para instrumentación analítica, cromatografía de gases y sistemas de prueba de descomposición de fugas. En un entorno de fabricación, los bancos de válvulas son ideales para controlar máquinas de producción y operaciones de envasado, aplicaciones que suelen tener una gran cantidad de cilindros.
y actuador.

Está prevista una versión en T de paso total de la DV para este otoño y se está desarrollando una válvula proporcional.

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