Válvulas solenoides pneumáticas: guia definitivo sobre tipos, componentes e funcionamento?

Graças ao moderno mecanismo de controle eletrônico, uma válvula solenoide pneumática opera de 5 a 20 milissegundos mais rápido do que uma piscada humana, que leva de 100 a 400 milissegundos. Isso significa que a válvula opera 20 vezes enquanto uma pessoa pisca apenas uma vez. A altíssima velocidade permite que as máquinas ejetem balas irregulares ou defeituosas do sistema de alimentação usando ar. Essas operações rápidas também são altamente confiáveis. Uma válvula solenoide pneumática pode operar de 20 a 50 milhões de ciclos (uma abertura e fechamento completos da válvula), enquanto alguns modelos de ponta podem atingir 200 milhões de ciclos.

Este artigo adota uma abordagem abrangente para ajudar nossos leitores a compreenderem completamente as válvulas solenoides pneumáticas. Abordaremos seu funcionamento, tipos, componentes, aplicações, importância na automação e fatores de seleção na hora da compra.

1. O que são válvulas solenoides pneumáticas?

Essas válvulas combinam engenharia elétrica e mecânica. Funcionam por meio de sinais elétricos enviados por um controlador, que acionam a resposta mecânica que permite a passagem ou o bloqueio do ar. Em termos simples, são a ligação entre os controladores lógicos programáveis ​​(CLP) e o movimento pneumático físico. Utilizando um sinal elétrico de baixa intensidade, esses dispositivos conseguem controlar movimentos mecânicos de alta pressão.

2. Como funcionam as válvulas solenoides pneumáticas?

Mecânica Operacional

A função básica da válvula solenoide pneumática é a conversão de energia elétrica em energia magnética, que, por sua vez, se transforma em energia mecânica. Ela opera com uma tensão de 24 V CC, padrão para uso industrial. A corrente elétrica flui através da bobina de fio de cobre. Essa corrente induz um campo magnético que se concentra no núcleo de ferro da válvula. O êmbolo ou armadura está conectado ao núcleo de ferro e começa a se mover. O movimento do componente causa a abertura ou o fechamento de pequenos orifícios ou deslizadores que conectam diferentes portas, dependendo do projeto. Isso resulta no fornecimento de ar para um cilindro ou para o escapamento.

Simplificando, a sequência é:

Energização da bobina → Campo magnético → Deslocamento interno → Fluxo de ar

Métodos de controle

Existem diversos métodos de controle para válvulas solenoides pneumáticas. Segue uma lista em ordem de suas aplicações mais comuns:

• PLC / Controle Remoto: É a técnica mais comum que utiliza um controlador lógico programável para acionar a válvula solenoide.

• Controle Proporcional: Este método permite que a válvula solenoide mantenha uma posição específica utilizando modulação por largura de pulso (PWM). Isso significa que a válvula solenoide pneumática pode manter uma posição de 20%, 30%, ..., 100%, conforme a necessidade.

• Monitoramento Inteligente: Na Indústria 4.0, essas válvulas enviam informações sobre os tempos de ciclo e de resposta para um computador de controle central, permitindo a manutenção preditiva.

• Controles manuais: Pequenos botões ou gatilhos são montados na válvula para operação manual.

Força eletromagnética e suas variáveis

A força gerada para mover o êmbolo pode ser calculada usando uma fórmula simples:

F=B²*A/2*uo

B = Densidade de fluxo, que depende do número de bobinas e da corrente.

A = Área da seção transversal do êmbolo

µo = Permeabilidade significa que um material ferromagnético de maior qualidade produz uma força maior.

Design e funcionalidade em bobina

O carretel é o componente chave que direciona o fluxo de ar entre as diferentes portas da válvula solenoide pneumática. Em válvulas de alta incandescência, o carretel é uma haste cilíndrica com seções salientes e ranhuras. O ar entra no corpo da solenoide e empurra o carretel por ambos os lados, o que garante que ele não precise vencer a pressão do ar.

Quando a ranhura se alinha com a porta, permite a passagem de ar. Em contrapartida, uma seção saliente bloqueia o fluxo de ar. Imagine o carretel como um conjunto de halteres que usamos na academia, dispostos em fila.

Mecanismo de Desenergização e Retorno

A resposta da válvula solenoide pneumática à energização é tão importante quanto a própria energização. O carretel se move para a posição necessária conforme o projeto. Aqui estão três mecanismos amplamente utilizados em válvulas solenoides:

• Monoestável: Uma mola mecânica retorna à sua posição inicial. Normalmente, o estado seguro é definido de acordo com os requisitos do processo.

• Biestável: Essas válvulas permanecem em sua posição mesmo quando a energia é interrompida. Elas consistem em duas bobinas.

Válvulas com assistência por piloto: Nessas válvulas, a pressão do sistema empurra o carretel para sua posição neutra.

4. Quais são as partes de uma válvula solenoide pneumática?

Peças estáticas

• Corpo: A peça é fabricada em alumínio anodizado, latão ou aço inoxidável. Possui orifícios para permitir o fluxo direto de ar.

• Tubo central: Um tubo não magnético que envolve o êmbolo e funciona como um recipiente de pressão. Ele mantém a pressão interna enquanto permite a passagem do campo eletromagnético.

• Núcleo fixo: Também conhecido como porca de fixação, é uma peça ferromagnética estacionária localizada na parte superior do tubo central.

Componentes internos móveis

• Núcleo: É o componente principal cujo movimento é suportado por outras partes da válvula solenoide. Trata-se de uma haste ferromagnética que se move para cima e para baixo. Êmbolos de alta qualidade geralmente apresentam anéis de sombreamento para evitar ruídos de corrente alternada e superfícies retificadas com precisão para reduzir o atrito.

• Mola central: Leva o êmbolo para a posição de segurança em caso de falha.

• Haste: Ligação mecânica entre o êmbolo e o carretel.

• Carretel ou disco: Em uma válvula de carretel, trata-se de uma haste longa com ranhuras e sulcos. Em uma válvula de assento, é um disco que pressiona contra uma sede. Frequentemente, as pontas desses discos são revestidas com NBR, FKM ou PTFE para garantir uma vedação hermética.

Componentes elétricos

• Bobina: Milhares de bobinas de cobre torneadas e encapsuladas em epóxi para proteção contra umidade e vibração.

• Tampa modular: Permite a troca da bobina de 24V CC para 110V CC sem desmontar as portas.

5. Em quais setores industriais são utilizadas as válvulas solenoides pneumáticas?

Manufatura e Logística

• Robótica: operações de coleta e posicionamento em alta velocidade e montagem automatizada.

• Transportadores: Acionamento rápido de portões de triagem e desviadores de materiais.

• Armazenagem: Ilhas de válvulas modulares para triagem de pacotes escalável e de alta velocidade.

Transporte e Aeroespacial

• Automotivo: Controle de freios a ar, suspensão e grampos de soldagem em linha de montagem.

• Aeroespacial: Válvulas leves para trem de pouso e superfícies de controle de voo.

• Resistência à vibração: Construções especializadas para ambientes veiculares de alta exigência.

Processos e Energia

• Petróleo e Gás: Acionamento remoto de válvulas em dutos utilizando solenoides à prova de explosão.

• Indústria Química/Farmacêutica: Regulação precisa de gases em reatores utilizando corpos resistentes à corrosão.

• HVAC: Controle automatizado de dampers e zonas para eficiência energética do edifício.

Saúde e Higiene

• Aplicação médica: Fornecimento preciso de oxigênio em ventiladores e equipamentos de diagnóstico.

• Alimentos e Bebidas: Enchimento e embalagem através de válvulas aprovadas pela FDA e resistentes à lavagem.

• Controle de contaminação: Projetos de operação limpa para ambientes de processamento estéril.

6. Por que escolher válvulas solenoides pneumáticas para sistemas automatizados?

• Desempenho de alta velocidade: A força eletromagnética total gerada pela bobina é poderosa, e os componentes internos têm baixa inércia, o que permite tempos de resposta extremamente baixos, de 5 a 10 ms.

• Eficiência operacional: O consumo de energia para o funcionamento das válvulas solenoides pneumáticas é mínimo. Além disso, os modelos com acionamento por piloto utilizam ar comprimido, o que reduz ainda mais a demanda por energia elétrica.

• Confiabilidade e segurança: Com poucas peças móveis, essas válvulas apresentam um desempenho de 100 milhões de ciclos. Os modelos monoestáveis ​​garantem a segurança, retornando a um estado seguro após a desenergização.

• Integração perfeita: A baixa tensão permite o controle por meio de CLPs ou relés, garantindo a operacionalidade em ambientes perigosos e inacessíveis.

• Inteligência Inteligente: A integração com a Indústria 4.0 permite que as válvulas reportem diagnósticos em tempo real.

7. Quais fatores devem ser considerados na avaliação de válvulas solenoides pneumáticas?

Etapa 1: Faixa de pressão

Verifique se o sistema atende aos requisitos mínimos e máximos de pressão. Consulte também se é necessário um diferencial de pressão.

Etapa 2: Capacidade de vazão

Dimensionamento adequado à velocidade do atuador, sem causar obstruções ou desperdício de energia.

Etapa 3: Materiais

Escolha a carroceria e as vedações com base na qualidade do ar e na temperatura.

Etapa 4: Especificações Elétricas

Ajuste a voltagem e priorize resistências de baixa potência para limitar o aquecimento.

Etapa 5: Velocidade do Ciclo

Confirme os tempos de resposta em milissegundos e o ciclo de vida total para tarefas de uso intenso.

Etapa 6: Estilo de Montagem

Selecione a montagem em linha, em coletor ou diretamente no sistema NAMUR.

Etapa 7: Ambiente

Verifique as classificações IP e NEMA com as certificações ATEX para zonas perigosas.

Etapa 8: Conformidade

Verifique se há selos específicos do setor, como CE, UL ou FDA.

Etapa 9: Eficiência

Opte por recursos de economia de energia, como desligamento por zona ou bobinas de travamento.

8. Perguntas frequentes

Q1: Qual é a diferença entre válvulas solenoides pneumáticas de ação direta e válvulas solenoides pneumáticas operadas por piloto?

As válvulas solenoides pneumáticas de ação direta utilizam força eletromagnética para movimentar o carretel, o que as torna adequadas para baixos fluxos. Em casos de alto fluxo, utiliza-se um sistema de alavanca piloto para garantir maior eficiência e controle da vazão.

Q2: Que tipo de manutenção é necessária para as válvulas solenoides pneumáticas?

As vedações são as partes mais vulneráveis. Elas precisam de inspeção regular, assim como as serpentinas. A limpeza regular das portas e o teste do tempo de resposta são cruciais para o bom funcionamento. Um plano de manutenção preventiva pode garantir a manutenção adequada.

Q3: As válvulas solenoides pneumáticas são adequadas para controle proporcional?

Em aplicações que exigem alterações na vazão ou mudanças graduais, a integração de controladores PWM é ideal.