Ghid de proiectare a solenoidului de împingere pentru aplicații industriale

 

 

 

 

Capitolul 1: Ce este un Solenoid de împingere?

Un solenoid de împingere este un tip de actuator electromecanic care transformă energia electrică în mișcare liniară și forță. În special, un solenoid de împingere extinde o tijă de împingere pentru a acționa un mecanism sau o supapă din echipamentele industriale. Solenoizii de împingere sunt elemente indispensabile ale mașinilor automatizate datorită mișcării liniare fiabile, rapide și compacte.
Spre deosebire de solenoizii de tip tracțiune, primii generează forță în direcția de extindere a pistonului lor. Solenoizii de împingere sunt disponibili în diferite configurații - inclusiv modele cu cadru deschis, tubulare și proporționale.

Capitolul 2: Principiul de funcționare al solenoidului de împingere

Mecanismul de funcționare al unui solenoid de împingere se bazează pe principiile fizice ale electromagnetismului. Un solenoid de împingere constă dintr-o bobină de sârmă de cupru înfășurată pe o bobină și un piston de fier poziționat parțial în interiorul acesteia. Când se aplică curent bobinei, aceasta din urmă generează un câmp magnetic, iar pistonul este magnetizat împreună cu circuitul de fier din jurul său.

Fluxul magnetic închide circuitul magnetic de fier și se deplasează prin spațiul de aer dintre piston și piesa polară (opritor). Atracția magnetică trage pistonul în centrul bobinei, unde fluxul magnetic este cel mai puternic. Solenoidul de împingere folosește forța magnetică pentru a genera o mișcare liniară printr-o tijă de împingere care se extinde de la capătul opus al solenoidului.

Forța unui solenoid este proporțională cu pătratul curentului și numărul de spire ale bobinei (amperi-spire) și invers proporțională cu distanța dintre fante. Odată cu mișcarea pistonului și scăderea distanței dintre fante, forța magnetică crește - aceasta este principala particularitate a funcționării solenoidului de împingere, care este importantă în proiectarea aplicațiilor.

Capitolul 3: De ce majoritatea solenoizilor trag în mod natural

Există o concepție greșită larg răspândită despre schimbarea polarității unui solenoid, care îl face să împingă în loc să tragă. Acest lucru nu este adevărat. O bobină de solenoid va atrage pistonul indiferent de polaritatea utilizată. Pistonul este întotdeauna tras spre centrul bobinei solenoidului, unde câmpul magnetic este cel mai puternic.
Această acțiune de tragere are loc datorită proprietății naturale a fluxului magnetic de a minimiza reluctanța magnetică a circuitului. Spațiul de aer dintre piston și piesa polară creează reluctanța magnetică maximă în circuitul magnetic, prin urmare, pistonul este tras spre acesta.

Capitolul 4 ：Cum creează inginerii un solenoid de împingere

Inginerii folosesc o tehnică foarte simplă pentru a converti acțiunea naturală de tragere a solenoidului într-o acțiune de împingere. În special, ei folosesc o tijă de împingere special concepută.

4.1 Proiectarea tijelor de împingere

Elementul crucial al solenoidului de împingere este tija de împingere. Când pistonul este tras în bobină, acesta împinge tija care se extinde de la celălalt capăt al solenoidului. Forța maximă a solenoidului de împingere apare atunci când pistonul este complet retras, iar tija de împingere este complet extinsă (spre deosebire de solenoidul de tracțiune, a cărui forță maximă apare la începutul cursei).

4.2 Design specific al tijei de împingere

Pentru ca solenoizii de împingere să funcționeze fiabil în aplicații industriale solicitante, inginerii trebuie să utilizeze modele speciale de tije de împingere. La început, solenoizii foloseau materiale simple nemagnetice, cum ar fi alama, cuprul beriliu și plasticul pentru tijele de împingere, pentru a evita scurtcircuitul magnetic. Cu toate acestea, aceste tije de împingere se deformau rapid din cauza julirii și a creșterii sub impactul repetat al pistonului.
În zilele noastre, inginerii proiectează știfturi de împingere din două bucăți fabricate din materiale diferite. Partea tijei de împingere, care intră în contact cu pistonul, este fabricată din materiale nemagnetice, dar foarte rezistente, cum ar fi oțelul inoxidabil sau cuprul beriliu. Pe de altă parte, celălalt capăt, care intră în contact cu mecanismul, este fabricat din oțel călit pentru scule. Două bucăți sunt sudate pentru a preveni scurtcircuitul magnetic.

4.3 Împingere vs. Împingere și Tragere

Proiectanții ar trebui să facă distincția între următoarele două configurații:
Apăsare sau Tragere – designul cu piston și tijă de împingere simetrice care pot îndeplini ambele funcții în funcție de orientarea de montare;
Acțiune de împingere și tragere – designul cu două bobine care pot comuta poziția pistonului pentru a oferi o acțiune bidirecțională de împingere și tragere de la același capăt al unității.

Capitolul 5: Componentele principale ale unui solenoid de împingere

5.1. Ansamblul bobinei

Bobina este înfășurarea unui fir de cupru pe o bobină. Numărul de spire, grosimea firului și izolația sunt parametrii importanți care definesc caracteristicile solenoidului.

5.2. Piston (armătură)

Element mobil din fier utilizat pentru convertirea energiei magnetice în energie mecanică. Forma pistonului (față plană sau conică) definește caracteristicile forță-cursă ale unui solenoid.

5.3. Cadru

Parte a unui solenoid de împingere care asigură circuitul și structura magnetică. Designurile cu cadru în C, cadru în D și tubular sunt comune în aplicațiile industriale. Materialul cadrului este oțel foarte permeabil, care conduce bine fluxul magnetic.

5.4. Tijă de împingere

Arbore specializat, care transformă mișcarea pistonului în acțiunea liniară de împingere a unui solenoid.

5,5. Opritor (piesă polară)

Element de fier al circuitului magnetic care definește limita cursei pistonului. Solenoizii de împingere utilizează opritoare speciale cu o gaură precisă pentru tija de împingere.

5.6. Arc de revenire

Arcul readuce pistonul la starea inițială atunci când sursa de alimentare este deconectată. Majoritatea solenoizilor de împingere sunt modele cu arc de revenire, dar pentru mișcarea de revenire se pot utiliza solenoizi proporționali sau mecanisme specifice aplicației.

Capitolul 6: Solenoizi de împingere vs. de tragere

Solenoizii de împingere oferă de obicei o forță de vârf puțin mai mică decât solenoizii de tracțiune comparabili, deoarece tija de împingere trebuie să treacă prin opritor, creând o cale de scurgere pentru fluxul magnetic. 

Capitolul 7: Caracteristicile forță-cursă

Înțelegerea relației forță-cursă este necesară pentru proiectarea cu succes a aplicațiilor solenoidului.

7.1 Relația inversă

În orice solenoid, forța este invers proporțională cu lungimea cursei. Forța maximă a solenoidului se reduce pe măsură ce lungimea cursei crește. Acest lucru se întâmplă deoarece forța de atracție magnetică este cea mai puternică atunci când spațiul dintre ape este minim. Pentru orice aplicație, inginerul ar trebui să proiecteze cea mai scurtă cursă pentru a maximiza forța și a reduce dimensiunea solenoidului.

7.2 Intervale de cursă

Solenoizii industriali standard de împingere sunt proiectați să ofere lungimi ale cursei de până la 20 mm, deși există unii solenoizi pentru curse mai lungi. Gama cursei este parametrul cheie care afectează considerabil forța de ieșire:
Cursă scurtă (2 – 5 mm) – forța maximă de ieșire, potrivită pentru operare frecventă
Cursă medie (3 – 8 mm) – designul conic al polului poate fi utilizat pentru a îmbunătăți profilul forței
Cursă lungă (10+ mm) – forță de ieșire redusă, necesită un solenoid de dimensiuni mai mari sau un solenoid proporțional

7.3 Curbe Forță-Cursă

Majoritatea producătorilor oferă curbe forță-cursă pentru solenoizii lor de împingere la diferite cicluri de funcționare. Curbele demonstrează de obicei scăderea forței pe măsură ce cursa crește. Inginerul trebuie să selecteze un solenoid care oferă o forță suficientă la o anumită lungime a cursei, cu un factor de siguranță de cel puțin 1.5.

7.4 Ciclul de funcționare

Ciclul de funcționare, care este raportul dintre timpul de funcționare și timpul total de ciclu, afectează în mare măsură performanța și designul solenoidului:
Funcționare continuă (100%) – solenoidul poate fi alimentat continuu. Necesită o bobină de dimensiuni mari pentru a disipa căldura, ceea ce duce la o forță mai mică pentru o anumită dimensiune a solenoidului.
Funcționare intermitentă (25 – 50%) – permite o putere de intrare și o forță mai mari. Oferă suficient timp de oprire pentru răcire.
Funcționare în impulsuri (10% sau mai puțin) – cea mai mare forță de ieșire posibilă pentru o dimensiune dată. Timpul de funcționare foarte scurt permite puterea maximă de intrare.

Capitolul 8: Proiectarea solenoidului de împingere industrială

8.1 Controlul temperaturii

Pe măsură ce temperatura solenoidului crește, rezistența bobinei crește și ea, ceea ce duce la reducerea forței de ieșire. Pentru un solenoid proiectat să atingă echilibrul la 85°C, calculele de forță ar trebui să ia în considerare această reducere a puterii. Producătorii furnizează de obicei date despre bobină la 20°C, prin urmare, inginerii trebuie să verifice forța de ieșire la temperaturile așteptate.

8.2 Timp de răspuns

Timpul de răspuns este alcătuit din două părți – timpul de formare a fluxului magnetic (care reprezintă mai mult de jumătate din timpul de răspuns) și timpul de deplasare a pistonului. Timpii de răspuns variază de la 5 milisecunde pentru solenoizii mici cu cursă scurtă până la 250 de milisecunde pentru modelele mai mari.

8.3 Protecția mediului

Solenoizii industriali necesită protecție împotriva umezelii, uleiului, prafului și vibrațiilor. Inginerii ar trebui să aleagă o etanșare, un strat de acoperire sau modele speciale adecvate pentru medii dure.

8.4 Anti-rotație a pistonului

Dacă aplicația necesită o aliniere precisă, trebuie prevăzută funcția anti-rotație a pistonului pentru a preveni rotirea acestuia în timpul acționării. Este deosebit de important dacă tija de împingere trebuie aliniată cu mecanismul extern.

8.5 Zgomot și impact

Solenoizii generează zgomot de la impactul pistonului asupra opritorului. Pentru aplicații silențioase, trebuie luat în considerare amortizorul de impact sau bara de protecție elastomerică.

Capitolul 9: Procesul de fabricație al solenoizilor industriali de împingere

Solenoizii de împingere sunt fabricați folosind tehnici de înaltă precizie:

9.1. Înfășurarea bobinei

înfășurarea sârmei de cupru cu tensiune precisă și controlul straturilor pentru a obține un anumit număr de spire și rezistența bobinei.

92. Prelucrarea pistonului

Prelucrarea pistonului din oțel magnetic cu toleranțe strânse. Finisarea suprafeței poate influența performanța și uzura solenoidului.

9.3. Fabricarea tijei de împingere

Fabricarea de tije împingătoare de înaltă calitate prin sudarea specializată a două piese din oțel nemagnetic și călibil.

9.4. Asamblarea cadrului

Ștanțarea sau prelucrarea cadrelor cu asamblare ulterioară în jurul bobinei. Designul tubular utilizează o carcasă din oțel tras.

9.5. Asamblare finală

asamblarea tuturor componentelor și testarea performanței forță-cursă, a caracteristicilor electrice și a duratei de viață.

9.6. Personalizare

modificări ale arborelui, terminații speciale, forme unice ale pistonului etc.

Capitolul 10: Aplicații industriale ale solenoidului de împingere

Solenoizii de împingere sunt utilizați în multe dispozitive industriale și comerciale:

10.1 Acționarea supapelor

Solenoizii de împingere deschid și închid supape în sistemele de alimentare cu fluide, inclusiv sistemele pneumatice și hidraulice. În sistemele hidraulice mobile, solenoizii de împingere trebuie să reziste condițiilor dure de mediu și presiunii ridicate.

10.2 Auto și transporturi

Solenoizii de împingere sunt utilizați pentru sistemul de management al motorului, încuietorile ușilor, controlul HVAC și mecanismele de schimbare a vitezelor. În industria auto, solenoizii de împingere trebuie să fie compacți, fiabili și rezistenți la temperaturi extreme.

10.3 Echipamente medicale

Solenoizii de împingere oferă o mișcare precisă pentru dispozitivele de diagnostic și terapeutice. Industria medicală necesită fiabilitate ridicată și durată lungă de viață.

10.4 Asamblare și ambalare automatizate

Solenoizii de împingere acționează mecanismele de ejectare a pieselor, de aliniere a poziției și de blocare a siguranței. În aceste aplicații sunt necesare modele cu durată mare de viață.

10.5 Echipamente de vânzare și distribuire a băuturilor alcoolice

Solenoizii de acționare prin împingere controlează distribuirea produselor, încuietorile și mecanismele de plată la automatele de vânzare cu monede.

10.6 Mașini agricole

Aplicațiile hidraulice mobile, inclusiv utilajele agricole, utilizează solenoizi de împingere pentru controlul supapelor și acționarea implementelor.

Capitolul 11: Ghid de selectare a solenoidului de împingere

Atunci când selectează un solenoid de împingere pentru o aplicație industrială, inginerul trebuie să urmeze anumite proceduri:

11.1. Definiți funcția Decideți,

Ce fel de mecanism este necesar – împingere, tragere sau acțiune bidirecțională? În cazul în care poziția de montare a solenoidului poate fi aleasă liber, se poate utiliza solenoid de tip „împingere sau tragere”.

11.2. Specificați cerințele privind cursa

Decideți câtă cursă este necesară. Pentru cea mai bună performanță, mecanismul trebuie proiectat să utilizeze cea mai scurtă lungime a cursei posibilă.

11. 3. Calculați forța necesară

Calculați forța necesară pentru acționarea mecanismului, luând în considerare forțele de frecare și de încărcare și aplicând un coeficient de siguranță nu mai mic de .

11.4. Determinarea ciclului de funcționare

Calculați ciclul de funcționare așteptat: Ciclu de funcționare = (Timp de pornire) / (Timp de pornire + Timp de oprire) × 100%. Aceasta definește dacă este necesară o funcționare continuă sau intermitentă.

11.5. Luați în considerare condițiile de mediu

Evaluați condițiile de temperatură, umiditate, vibrații și contaminare pentru a determina etanșarea și protecția necesare.

11.6. Alegeți intrarea de alimentare

Definiți tensiunea de alimentare disponibilă. Producătorii oferă bobine pentru tensiuni standard de la 5V la 120V și mai mari.

11.7. Confirmarea performanței mișcării forțate

Folosind curbele producătorului, confirmați că solenoidul selectat furnizează forța necesară la cursa și ciclul de funcționare dorite.

11.8. Verificați caracteristicile speciale

Luați în considerare anti-rotația pistonului, terminațiile speciale etc.

Capitolul 12: Avantajele și limitările solenoidului de împingere

Avantaje
• Design fiabil și robust
• Viteză mare de răspuns (5-250 ms)
• Întreținere redusă și durată lungă de viață de până la 10 milioane de cicluri
• Dimensiune compactă
• Eficiență din punct de vedere al costurilor în volume mari
• Multiplicitate de configurații
• Capacitatea de a funcționa în medii dure cu etanșare adecvată
Limitări
• Forță mai mică odată cu creșterea lungimii cursei
• Ciclu de funcționare limitat din cauza generării de căldură
• Influența câmpurilor magnetice reziduale asupra timpului de eliberare
• Zgomotul de impact poate fi deranjant
• Necesitatea unor circuite de control
• Forță de împingere mai mică decât forța de tracțiune comparabilă

Capitolul 13: Întrebări frecvente

Pot face un solenoid să împingă inversând polaritatea? Nu. Un solenoid atrage pistonul indiferent de polaritatea utilizată. Pentru a crea o acțiune de împingere, trebuie să utilizați o tijă de împingere atașată la piston.

De ce forța de împingere este mai mică decât forța de tracțiune în cazul solenoizilor comparabili? Acest lucru se întâmplă deoarece tija de împingere trece prin orificiul din opritor, ceea ce creează un spațiu de aer suplimentar care permite scurgerea fluxului magnetic.

Care este diferența dintre solenoizii „de împingere sau tragere” și „de împingere și tragere”? Solenoidul de împingere în configurația „de împingere sau tragere” poate funcționa fie ca împingător, fie ca tractor, în funcție de montajul său. Solenoidul bidirecțional „de împingere și tragere” funcționează ca împingere și tragere de la același capăt, folosind două bobine.
Cât durează solenoizii industriali de împingere? Solenoizii industriali standard au o durată de viață egală cu 2 milioane de cicluri, unitățile cu durată extinsă ajungând până la 10 milioane de cicluri. Durata de viață depinde de frecvență, sarcină laterală și condițiile de mediu.

Care este timpul de răspuns tipic? Timpii de răspuns variază de la 5 ms pentru unități mici cu curse scurte până la 250 ms pentru unități mari. Crearea fluxului magnetic durează mai mult de jumătate din timpul de răspuns.

Capitolul 14: Concluzie

Solenoidul de împingere este un element constitutiv utilizat pe scară largă în automatizarea industrială, oferind o mișcare liniară fiabilă, rapidă și compactă. Cunoașterea principiilor inginerești de bază ale acestor actuatoare, de la acțiunea naturală de tragere a solenoizilor până la proiectarea tijelor de împingere, permite proiectarea unor aplicații eficiente ale solenoizilor.

Luând în considerare cerințele forță-cursă, ciclurile de funcționare și condițiile de mediu, inginerii pot selecta sau proiecta solenoizi de împingere care vor oferi performanțe excelente în aplicații solicitante. Solenoizii de împingere moderni oferă performanțe ridicate, cu o durată de viață de până la 10 milioane de operațiuni și un timp de răspuns de câteva milisecunde.

De la supapa hidraulică la mecanismul de ejecție sau linia de producție automatizată – solenoidul de împingere este o soluție dovedită fiabilă și rentabilă pentru aplicația dumneavoastră. Urmând principiile descrise în acest articol, veți găsi cu ușurință un design adecvat al solenoidului de împingere.