Válvulas solenoides neumáticas: guía definitiva sobre tipos, componentes y cómo funcionan.

Gracias al moderno mecanismo de control electrónico, una electroválvula neumática opera entre 5 y 20 milisegundos más rápido que un parpadeo humano, que tarda entre 100 y 400 milisegundos. Esto significa que la válvula opera 20 veces mientras que un humano solo parpadea una vez. Su altísima velocidad permite a las máquinas expulsar caramelos irregulares o defectuosos del sistema de tolva mediante aire. Estas rápidas operaciones también son altamente confiables. Una electroválvula neumática puede operar entre 20 y 50 millones de ciclos (una apertura y cierre completos de la válvula), mientras que algunos modelos de alta gama pueden alcanzar los 200 millones de ciclos.

Esta publicación utiliza un enfoque integral para ayudar a nuestros lectores a comprender a fondo las electroválvulas neumáticas. Analizaremos su funcionamiento, tipos, componentes, aplicaciones, importancia en la automatización y factores a considerar al comprar una.

1. ¿Qué son las válvulas solenoides neumáticas?

Estas válvulas combinan ingeniería eléctrica y mecánica. Funcionan mediante señales eléctricas enviadas por un controlador, lo que activa la respuesta mecánica que permite el paso o el bloqueo del aire. En pocas palabras, son el vínculo entre los controladores lógicos programables (PLC) y el movimiento neumático físico. Mediante una señal eléctrica baja, estos dispositivos pueden controlar movimientos mecánicos de alta presión.

2. ¿Cómo funcionan las válvulas solenoides neumáticas?

Mecánica operacional

La función básica de la electroválvula neumática es la conversión de energía eléctrica en energía magnética, que finalmente se transforma en energía mecánica. Opera a 24 V CC, el voltaje estándar para uso industrial. Fluye a través de la bobina de cobre. La corriente induce un campo magnético que se concentra en el núcleo de hierro de la válvula. El émbolo o armadura se conecta al núcleo de hierro y comienza a moverse. El movimiento del componente provoca la apertura o el cierre del pequeño orificio o correderas que conectan diferentes puertos, según el diseño. Esto permite el suministro de aire a un cilindro o al escape.

Simplemente la secuencia es:

Energización de la bobina → Campo magnético → Desplazamiento interno → Flujo de aire

Métodos de control

Existen múltiples métodos de control para las electroválvulas neumáticas. A continuación, se presenta la lista ordenada por sus aplicaciones más comunes:

• PLC / Control Remoto: Es la técnica más común que utiliza un controlador lógico programable para activar la válvula solenoide.

• Control proporcional: Este método permite que la electroválvula mantenga una posición específica mediante modulación por ancho de pulso (PWM). Esto significa que la electroválvula neumática puede mantener una posición del 20 %, 30 % o 100 % según sea necesario.

• Monitoreo inteligente: En la Industria 4.0, estas válvulas informan los tiempos de ciclo y los tiempos de respuesta a una computadora de control central para el mantenimiento predictivo.

• Anulaciones manuales: Se montan pequeños botones o disparadores en la válvula para operación manual.

Fuerza electromagnética y sus variables

La fuerza generada para mover el émbolo se puede calcular utilizando una fórmula simple:

F=B²*A/2*uo

B = Densidad de flujo, que depende del número de bobinas y de la corriente.

A = Área de la sección transversal del émbolo

µo = Permeabilidad significa que un material ferromagnético de mayor calidad produce una fuerza mayor.

Diseño y funcionalidad en bobina

El carrete es el componente clave que regula la dirección del aire entre los diferentes puertos de la electroválvula neumática. En las válvulas de alta incandescencia, el carrete es una varilla cilíndrica con secciones elevadas y ranuras. El aire entra en el cuerpo del solenoide y empuja el carrete desde ambos lados, lo que evita que este tenga que luchar contra la presión del aire.

Cuando la ranura se alinea con el puerto, permite el paso del aire. En cambio, una sección elevada bloquea el flujo de aire. Imagine el carrete como un juego de mancuernas que usamos en el gimnasio, colocadas en línea.

Mecanismo de desenergización y retorno

La respuesta de la electroválvula neumática ante la activación es tan importante como la activación misma. El carrete se mueve a la posición requerida según el diseño. A continuación, se presentan tres mecanismos ampliamente utilizados en una electroválvula:

• Monoestable: Un resorte mecánico lo empuja a su posición inicial. Normalmente, el estado seguro se ajusta a los requisitos del proceso.

• Biestables: Estas válvulas se mantienen en su posición incluso cuando se corta la alimentación. Constan de dos bobinas.

Asistida por piloto: En estas válvulas, la presión del sistema empuja el carrete a su posición neutra.

4. ¿Cuáles son las partes de una válvula solenoide neumática?

Piezas estáticas

• Cuerpo: La pieza está fabricada en aluminio anodizado, latón o acero inoxidable. Consta de puertos que permiten el flujo de aire directo.

• Tubo central: Tubo no magnético que cubre el émbolo y actúa como un recipiente a presión. Mantiene la presión en su interior mientras permite el paso del campo electromagnético.

• Núcleo fijo: también conocido como Plugnut, es una pieza ferromagnética estacionaria en la parte superior del tubo del núcleo.

Mover componentes internos

• Núcleo: Es el componente clave cuyo movimiento se apoya en otras partes de la electroválvula. Es una varilla ferromagnética que se mueve hacia arriba y hacia abajo. Los émbolos de alta calidad suelen contar con anillos de sombreado para evitar el zumbido de la corriente alterna (CA) y superficies rectificadas con precisión para reducir la fricción.

• Resorte central: lleva el émbolo a la posición de seguridad.

• Vástago: Enlace mecánico entre el émbolo y el carrete.

• Carrete o Disco: En una válvula de carrete, se trata de una varilla larga con ranuras y planos. En una válvula de asiento, es un disco que presiona contra un asiento. Suelen estar recubiertos con NBR, FKM o PTFE para garantizar un sellado hermético.

Componentes eléctricos

• Bobina: Miles de bobinas de cobre torneadas encapsuladas en epoxi para protegerlas contra la humedad y la vibración.

• Capó modular: permite intercambiar bobinas de 24 V CC a 110 V CC sin desmontar los puertos.

5. ¿En qué industrias se utilizan las electroválvulas neumáticas?

Fabricación y logística

• Robótica: Pick-and-place de alta velocidad y ensamblaje automatizado.

• Transportadores: Accionamiento rápido de compuertas de clasificación y desviadores de material.

• Almacenamiento: Islas de válvulas modulares para una clasificación de paquetes escalable y de alta velocidad.

Transporte y aeroespacial

• Automotriz: Control de frenos de aire, suspensiones y abrazaderas de soldadura en línea de montaje.

• Aeroespacial: Válvulas ligeras para trenes de aterrizaje y superficies de control de vuelo.

• Resistencia a la vibración: Construcciones especializadas para entornos de vehículos de alto estrés.

Proceso y energía

• Petróleo y gas: Actuación remota de válvulas de tuberías mediante solenoides a prueba de explosión.

• Química/Farmacéutica: Regulación de gases de precisión en reactores utilizando cuerpos resistentes a la corrosión.

• HVAC: Control automatizado de compuertas y zonificación para la eficiencia energética de los edificios.

Salud e higiene

• Médico: suministro preciso de oxígeno en ventiladores y equipos de diagnóstico.

• Alimentos y bebidas: llenado y envasado mediante válvulas aptas para lavado y que cumplen con las normas de la FDA.

• Control de la contaminación: diseños de operación limpia para entornos de procesamiento estériles.

6. ¿Por qué elegir válvulas solenoides neumáticas para sistemas automatizados?

• Rendimiento de alta velocidad: la fuerza electromagnética general generada por la bobina es potente y los componentes internos tienen una inercia baja, lo que permite tiempos de respuesta extremadamente bajos de 5 a 10 ms.

• Eficiencia operativa: El consumo de energía de las electroválvulas neumáticas es mínimo. Además, los modelos pilotados utilizan aire comprimido, lo que reduce aún más la demanda de energía eléctrica.

• Fiabilidad y seguridad: Con pocas piezas móviles, estas válvulas ofrecen un rendimiento de 100 millones de ciclos. Los modelos monoestables garantizan la seguridad al volver a un estado seguro al desconectarse.

• Integración perfecta: el bajo voltaje permite el control a través de PLC o relés, lo que garantiza la operatividad en entornos peligrosos e inaccesibles.

• Inteligencia inteligente: la integración de la Industria 4.0 permite que las válvulas informen diagnósticos en tiempo real.

7. ¿Qué factores deben considerarse al evaluar las válvulas solenoides neumáticas?

Paso 1: Rango de presión

Ajuste los requisitos de presión mínima y máxima del sistema. Compruebe si se requiere un diferencial de presión.

Paso 2: Capacidad de flujo

Tamaño adecuado para adaptarse a la velocidad del actuador sin obstruir ni desperdiciar energía.

Paso 3: Materiales

Elija el cuerpo y los sellos en función de la calidad del aire y la temperatura.

Paso 4: Especificaciones eléctricas

Adapte el voltaje y priorice las bobinas de bajo voltaje para limitar el calor.

Paso 5: Velocidad del ciclo

Confirme los tiempos de respuesta en milisegundos y el ciclo de vida total para tareas de alto uso.

Paso 6: Estilo de montaje

Seleccione montaje en línea, colector o NAMUR directo.

Paso 7: Medio ambiente

Verifique las clasificaciones IP y NEMA con certificaciones ATEX para zonas peligrosas.

Paso 8: Cumplimiento

Busque etiquetas específicas de la industria, como CE, UL o FDA.

Paso 9: Eficiencia

Opte por funciones de ahorro de energía, como apagado por zonas o bobinas de enclavamiento.

8. Preguntas frecuentes

P1: ¿Cuál es la diferencia entre las válvulas solenoides neumáticas de acción directa y las operadas por piloto?

Las electroválvulas neumáticas de acción directa utilizan fuerza electromagnética para mover el carrete, lo que las hace adecuadas para caudales bajos. En caso de caudales altos, se utiliza un sistema de palanca operado por piloto para garantizar una mayor eficiencia y un funcionamiento más fluido.

P2: ¿Qué mantenimiento se requiere para las válvulas solenoides neumáticas?

Los sellos son los más vulnerables. Requieren inspección regular, al igual que las bobinas. La limpieza regular de los puertos y la comprobación del tiempo de respuesta son cruciales para su buen funcionamiento. Un programa de mantenimiento preventivo puede garantizar un mantenimiento adecuado.

P3: ¿Las válvulas solenoides neumáticas son adecuadas para el control proporcional?

En el caso de aplicaciones que requieren cambio en el caudal para aplicaciones que requieren cambio gradual, la integración de controladores PWM es ideal.