Esta excavadora hidráulica cuenta con una **válvula solenoide** muy interesante en el corazón de su funcionamiento. La **válvula solenoide** es tan crucial que incluso el desgaste mínimo en su disco puede llevar a que la excavadora se bloquee y eventualmente falle. También se utilizan en grifos con sensor. Las otras aplicaciones industriales principales de la **válvula solenoide** se ilustran aquí.
Ahora una pregunta interesante: aquí se muestran algunas **válvulas motorizadas** comúnmente utilizadas en la industria que funcionan perfectamente, entonces ¿por qué necesitamos **válvulas solenoide**? La respuesta es que las **válvulas solenoide** son increíblemente rápidas. Una **válvula motorizada** normal tarda un segundo en completar su operación, mientras que la **válvula solenoide** termina su tarea en 0.03 segundos. Vamos a explorar la impresionante ingeniería detrás de las **válvulas solenoide**, comenzando por la más simple.
Construcción de una **válvula solenoide** simple
Primero, coloquemos un armadura de hierro perpendicular al tubo. La armadura es libre de moverse como se muestra. Ubiquemos un electroimán alrededor de la armadura y un resorte en la parte superior de la misma. El resorte está comprimido y siempre trata de mantener la armadura en la parte inferior. Cuando energizamos el electroimán, se generan fuertes campos magnéticos a su alrededor. La armadura experimentará una fuerza que la hará moverse hacia arriba y alinearse perfectamente al centro de la bobina. La **válvula** está ahora abierta y el agua fluye a través de ella. Cuando la bobina no está energizada, el resorte comprimido cerrará la **válvula** de inmediato.
Con este diseño hemos logrado una **válvula solenoide** simple de **dos por dos** (2×2), llamada así por sus dos puertos y dos estados de operación: encendido y apagado. Puedes estar preguntándote cómo la armadura puede alinearse perfectamente al centro de la bobina en este estado offset. La mayoría de las líneas de campo magnético se deforman y pasan a través de la armadura. Las líneas de campo se deforman porque el hierro proporciona un camino de baja reluctancia, lo que hace que la armadura actúe como un imán temporal. Así, la armadura experimenta una fuerza hacia arriba. Puedes preguntarte cómo es posible esto cuando los polos inferiores están más cerca. Para investigar la razón detrás de esto, echemos un vistazo al resultado del análisis FEA.
Puedes observar que las líneas de campo están perfectamente rectas en la parte superior y curvadas en la parte inferior. Lo más importante es que los dominios magnéticos de la región inferior experimentan un campo magnético más débil en comparación con la región superior. Esto significa que el polo inducido en la parte inferior es más débil. La armadura experimentará una fuerza neta hacia arriba y se moverá a lo largo de nuestro diseño básico de una **válvula solenoide**. Estamos listos para controlar el flujo de fluido, pero hay un pequeño problema.
Modificaciones de diseño para evitar fugas de fluido
Debido a la presión del fluido en el estado apagado, la armadura puede doblarse y provocar fugas de fluido. Modifiquemos el diseño para que sea más práctico. En primer lugar, podemos desplazar ligeramente la bobina y la armadura hacia arriba y agregar una barrera sólida y gruesa en la trayectoria del flujo. Ahora, la **válvula** está cerrada y el fluido no podrá cruzar esta región. Este diseño garantizará que la armadura no se doble debido a la presión del agua.
Aunque este diseño evita las fugas de fluido, tiene otra pequeña desventaja. El problema aquí es que en la condición apagada, la presión del fluido puede empujar la armadura hacia arriba. Esto significa que este diseño fallará en el estado apagado de la **válvula** si la presión del fluido es alta, lo cual es obviamente indeseable.
Los ingenieros encontraron una solución perfecta: mantener la misma presión del fluido en ambos lados de la armadura. Observa cómo se logra este nuevo diseño prácticamente. Los ingenieros de diseño utilizaron un diafragma de goma flexible con dos agujeros. Este diafragma se atornilla al cuerpo de la **válvula**. La condición cerrada de la **válvula** se muestra. El pequeño agujero rojo en el diafragma juega un papel importante aquí. Puedes ver cómo el fluido llega a ambos lados de la armadura debido a este agujero. Esto significa que cuando la **válvula** está cerrada, la presión del fluido que actúa sobre la armadura se cancela. Esto resuelve perfectamente el problema anterior. Cuando la bobina se energiza, la armadura se moverá hacia arriba y el fluido escapará a través del agujero central. Sin embargo, esto no ocurre de la misma manera cuando la armadura se levanta.
Aquí, el fluido en la región de la armadura escapa y causa una caída brusca de presión. Esta caída de presión se debe a que el flujo de salida a través del agujero central es mayor que el flujo de entrada. Esta diferencia de presión doblará el diafragma como se muestra. Ahora, el fluido puede escapar directamente a través de la parte inferior del diafragma. Nuestro diseño básico de una **válvula solenoide** de **dos por dos** (2×2) está casi terminado. Sin embargo, si desarmas una **válvula solenoide** real de **dos por dos**, verás un componente adicional: una tapa de hierro en la parte superior de la cubierta. ¿Por qué se necesita esto?.
Optimizando la respuesta rápida de la **válvula solenoide**
Ya aprendimos que después de que la armadura se ha movido una pequeña distancia, el diafragma se dobla y la **válvula** se vuelve operativa. Veamos qué diseño logra esa pequeña distancia primero. Aquí hay una comparación entre una **válvula solenoide** con y sin este cilindro de hierro adicional utilizando el popular software de simulación FEA EM Works.
Puedes ver que la **válvula solenoide** con la tapa de hierro extra alcanza esa distancia en la mitad del tiempo que el otro caso. Esto reduce claramente el tiempo de respuesta de la **válvula solenoide**. La razón de este movimiento rápido es que la tapa de hierro produce un fuerte polo magnético.
Diseño de una **válvula solenoide** de **cinco por tres** (5×3)
Ahora exploremos un diseño muy popular: la **válvula solenoide** de **cinco por tres** (5×3). Consideremos la cuchara de esta excavadora de servicio pesado. La cuchara rota gracias a una **válvula solenoide** de **cinco por tres** (5×3). Es claro en esta animación que cuando el pistón de este cilindro de doble efecto se mueve linealmente, la cuchara rota pasando aceite presurizado en la dirección que se muestra aquí.
El pistón logra el movimiento de expansión y el aceite en el otro lado del pistón se expulsa a través del tubo B, ya que es incompresible. Si queremos mover el pistón hacia atrás, el aceite presurizado deberá ingresar a través del tubo B, lo que provoca que el aceite del otro lado se expulse a través del tubo A. ¿Cómo podemos desarrollar una tecnología para hacer circular el aceite de manera que no se desperdicie aceite del sistema? Además, el motor principal de esta tecnología debería ser una bomba que gire en la misma dirección.
La solución es el uso de la **válvula solenoide** de **cinco por tres** (5×3). También necesitamos un tanque de almacenamiento de aceite. La **válvula** tiene cinco puertos que se conectan con este arreglo que se muestra. Entenderemos la lógica detrás de estas conexiones y la tecnología de la **válvula** después de un tiempo. Esta unidad de **válvula solenoide**, bomba y tanque de almacenamiento se encuentra dentro del cuerpo de la excavadora. Ahora, el operador presiona un botón para levantar la cuchara.
Veamos qué sucede dentro de nuestro sistema. Para ver la animación claramente, movamos el sistema de **válvula solenoide** cerca del cilindro de doble efecto. La armadura de la **válvula solenoide** de **cinco por tres** (5×3) se coloca en ambos extremos de este carrete. La bomba está funcionando, pero puedes ver muchos discos a prueba de fugas dentro de la **válvula**.
En esta posición del carrete, los discos bloquean el flujo del aceite. Cuando el operador energiza la bobina del solenoide del lado izquierdo, la armadura experimenta una fuerza y el carrete se mueve hacia la izquierda. Ahora el flujo de aceite es posible. El aceite presurizado llega al pistón conectado a la cuchara y la cuchara se eleva. El aceite del otro lado regresa al tanque de almacenamiento como se muestra.
Si desenergizamos la bobina, el carrete volverá a la posición central debido a la tensión del resorte. Para bajar la cuchara, debemos energizar el solenoide del lado derecho. Puedes ver que el carrete se mueve hacia la derecha y desvía el flujo de aceite. Ahora el pistón experimenta una fuerza en la dirección opuesta y la cuchara se baja. En un artículo de **lessex**, aprendimos cómo funciona una **válvula solenoide** básica de **dos por dos** (2×2) y una **válvula solenoide** de **cinco por tres** (5×3). ¡Es increíble la ingeniería detrás de estas **válvulas solenoide** tan importantes en nuestra vida cotidiana!
