Dossier wegventielen
A. Ventielen in het algemeen
Weet je waarvoor we ventielen gebruiken in de pneumatica? Juist ja, hoofdzakelijk om het hele zaakje te besturen, maar ook om de energietoevoer naar de verschillende onderdelen van het systeem te regelen. Die sturing is voor de meeste pneumatische systemen van het ON/OFF-principe, zoals bijvoorbeeld bij het aansturen van de meeste cilinders.
We verdelen de ventielen, volgens hun functie, in drie hoofdgroepen: - wegventielen; - regelventielen; - blokkeerventielen.
wegventiel
Ventielen
regelventiel
-2/2-ventiel -3/2-ventiel -4/2-ventiel -5/2-ventiel -5/3-ventiel -5/4-ventiel -smoring -snelheidsregelventiel -snelontluchter -terugslagklep
blokkeerventielen
-gestuurde terugslagklep -wisselventiel(of-functie) -tweedruksventiel(en-functie)
B. Wegventielen in het bijzonder
In deze MissingLink gaan we het uitvoerig hebben over de wegventielen.
De naam zegt het zelf al een beetje. Wegventielen bepalen de weg die de perslucht volgt. Ze leiden de perslucht in banen, maar kunnen de weg ook volledig afsluiten. Een wegventiel kan dus twee, drie, vier of vijf poorten hebben om de perslucht naar de aangesloten componenten te krijgen of tegen te houden.
Zoals steeds gebruiken we ook symbolen om wegventielen schematisch voor te stellen. De symbolen vertellen ons wel iets over de functie en de werking van het ventiel, maar niet over de constructie ervan. Meer hierover later.
2
B. Wegventielen in het bijzonder
1. De symbolen tekenen
Het ventielsymbool van het ventiel teken je meestal horizontaal. Om kruisingen te vermijden mag het ook wel eens verticaal of in spiegelbeeld getekend worden. Per toestand in het wegventiel teken je n vierkant.
De weg, die de perslucht volgt in het ventiel, tekenen we in het vierkant. Zo duidt een verbinding tussen twee aansluitpoorten aan dat er perslucht doorstroomt. De pijl die op de verbinding staat duidt de richting aan waarin de perslucht stroomt.
De aansluitingen van het ventiel verbinden we aan de rustpositie van het ventiel. Voeding en ontluchting komen onderaan het symbool en de uitgangen aan de bovenzijde.
Tip: in de norm ISO 1219-1 staan voorbeelden van hoe je een wegventiel mag tekenen. Dat is niet bindend, maar je moet wel steeds de vorige richtlijnen in acht nemen. Surf naar www.festo.be voor meer informatie.
De rustpositie tekenen we meestal rechts. De rustpositie is de positie waarin het ventiel zich bevindt wanneer het niet bediend wordt.
De afgesloten aansluitpoorten tekenen we afgestopt, ook wanneer deze helemaal niet gebruikt worden.
2. De benamingen
Weet je dat de benaming van het ventiel afhankelijk is van het aantal poorten en het aantal schakelstanden? Het eerste getal (X) in de naamgeving geeft het aantal
poorten weer, maar dan wel zonder rekening te houden met de sturing van het ventiel. Het tweede getal (Y) daarentegen geeft het aantal schakelstanden weer.
Naamgeving van de ventielen X/Y X= aantal poorten zonder de sturing Y= aantal standen
3
Dossier wegventielen
B. Wegventielen in het bijzonder
3. De sturingen
Definitie volgens DIN 19226: Besturen is een proces in een systeem waarbij n of meerdere grootheden, ingangsgrootheden genaamd, andere grootheden, uitgangsgrootheden genaamd, benvloeden volgens de wetten van dit systeem. Duidelijk toch! Je drukt op een knop en er gebeurt iets. De besturingsenergie, nodig om een ventiel te laten schakelen, is afhankelijk van de bedieningswijze van het ventiel. Dat kan door middel van spierkracht maar ook mechanisch, elektrisch, hydraulisch of pneumatisch gebeuren.
Bedieningen
Manueel
Handbediening Paddestoelknop Hendel Voetbediening Vergrendeling
Mechanisch
Veer Stift Rolbediening Knikrolbediening
Elektrisch Pneumatisch
Spoel Luchtbediening
We onderscheiden twee types van ventielen: - monostabiele ventielen; - bistabiele ventielen.
Monostabiele ventielen Dit ventiel moet je gedurende de omschakeltijd blijven bedienen. Wordt de bediening opgeheven, druk je bijvoorbeeld niet langer op de knop, dan neemt het ventiel de normaalstand terug in door veerkracht of luchtdruk. Dat wil zeggen dat hij terug in de fase van vr de bediening komt. Dit 'gedrag' noemen we monostabiel.
Bistabiele ventielen Dit ventiel kan door een kortstondige bediening(spuls) blijvend omgeschakeld worden. Dus wanneer je in dit geval de bediening opheft, gaat het ventiel niet terug naar de toestand van vr de bediening. Het heeft twee standen en voor iedere stand is een aparte bediening nodig. Dit gedrag noemt men bistabiel.
4
B. Wegventielen in het bijzonder
4. Functionele kenmerken
2/2-ventiel Referentie = Normaal Gesloten Normally Closed Normalement Ferme 2/2-ventiel Referentie = Normaal Open Normally Open Normalement Ouverte
We beginnen bij een ventiel dat iedereen kent: de afsluitkraan. De afsluitkraan heeft een toevoeropening en een afvoeropening, dus 2 aansluitingen. Anderzijds heeft de afsluitkraan ook 2 toestanden: open en gesloten. Zo komt het dat we de afsluitkraan een 2/2-ventiel gaan noemen.
2/2-ventielen vind je in pneumatische installaties waar geen ontluchting nodig is voor de erop volgende apparaten. Er moet dus alleen perslucht mee doorgelaten of afgesloten worden.
3/2-ventiel Referentie = Normaal Gesloten Normally Closed Normalement Ferme 3/2-ventiel Referentie = Normaal Open Normally Open Normalement Ouverte
Elke cilinder moet, nadat hij arbeid heeft verricht, via het ventiel ontlucht kunnen worden om nadien een nieuwe werkslag te kunnen realiseren.
Hiervoor hebben we een 3/2ventiel nodig waarbij de derde aansluitpoort een ontluchting is.
Sturing van een enkelwerkende cilinder
5
Dossier wegventielen
B. Wegventielen in het bijzonder
"Normaal open" en "normaal gesloten" Bij de 2/2- en 3/2-ventielen maakt men een onderscheid tussen "normaal open" en "normaal gesloten" ventielen.
Een normaal gesloten ventiel is een ventiel waarbij de persluchtaansluiting (1) in rust afgesloten is en de uitgang (2) in verbinding staat met de atmosfeer langs de ontluchtingspoort (3). De doorstroming wordt pas vrijgegeven wanneer het ventiel bediend wordt. Een normaal open ventiel is een ventiel waarbij de persluchtaansluiting (1) in rust in verbinding staat met de uitgangspoort (2), terwijl de ontluchtingspoort (3) afgesloten is. De persluchtdoorgang wordt afgesloten wanneer het ventiel bediend wordt.
5. Soorten ventielen
Een 3/2-ventiel is het basiselement voor de besturing van een enkelwerkende cilinder en voor het opbouwen van logische schakelingen. Een dubbelwerkende cilinder kan bijvoorbeeld met twee 3/2-ventielen bediend worden. Maken wij van deze twee ventielen n geheel, dan kunnen wij dit beschouwen als een 5/2-ventiel.
Bij het 5/2-ventiel wordt de persluchtpoort (1) afwisselend verbonden met de twee uitgangen (2) of (4) naar de verbruiker (cilinder). Elke uitgang heeft dan ook zijn eigen ontluchtingspoort. Zo heeft uitgang (2) zijn ontluchting via poort (3) en uitgang (4) zijn ontluchting via poort (5).
5/2-ventiel Referentie = Normaal Gesloten Normaal Open Standen = 1 vaste stand = Monostabiel 5/2-ventiel Referentie = Normaal Gesloten Normaal Open Standen = 2 vaste standen = Bistabiel
6
B. Wegventielen in het bijzonder
Het 5/2-bistabiel ventiel is een tweezijdig bediend ventiel dat in een ingenomen positie blijft staan tot een tegengesteld signaal gegeven wordt.
Door een drukpuls te geven op de stuurpoort (12) schakelt het ventiel om en verplaatst de schuif zich naar rechts. We krijgen een doorstroming van (1) naar (2) - vandaar de cijferwaarde 12 op de stuurpoort - en zo wordt de uitgang (4) ontlucht langs (5). Geven wij nu een drukpuls op de stuurpoort (14), dan schakelt het ventiel om en verplaatst de schuif zich naar links. Hierdoor krijgen wij een doorstroming van (1) naar (4) vandaar de cijferwaarde 14 op de stuurpoort - en wordt de uitgang (2) ontlucht over (3).
3/5-ventielen Referentie Middenstand Gesloten G-ventiel (Geschlossen) = Monostabiel
In sommige gevallen voldoet een tweestandenventiel niet. Bijvoorbeeld indien het volgende programma afgewerkt moet worden: stijgen - stoppen - dalen.
De stopfunctie moet mogelijk zijn tijdens het stijgen en/of dalen van de cilinder. Hiervoor is een driestandenventiel nodig, waarbij in de middelste stand alle aansluitingen zijn afgesloten.
Middenstand Ontlucht E-ventiel (Entlftet) = Monostabiel
Er bestaan hierin eveneens andere mogelijkheden van middenstand, bv. een middenstand waarbij de
Middenstand Belucht B-ventiel (Belftet) = Monostabiel
uitgangen ontlucht of belucht worden. Ventielen met meer dan drie standen komen in de pneumatica zelden voor. Een voorbeeld hiervoor is het 5/4-ventiel.
7
Dossier wegventielen
B. Wegventielen in het bijzonder
6. Constructie
Over de constructie van de ventielen is tot hiertoe nog niets gezegd. Laten we dat dan meteen doen. Qua constructie onderscheiden we hoofdzakelijk klep- en schuifventielen. Klepventielen De persluchtdoorlaat bij klepventielen wordt door een kogel, een schotel of een kegel geopend en gesloten. De afdichting op de ventielzitting gebeurt meestal op eenvoudige
manier met behulp van elastische pakkingen. Klepventielen hebben praktisch geen onderdelen die aan slijtage onderhevig zijn, vandaar hun lange levensduur. Ze zijn robuust en ongevoelig voor vuil. Veroudering van de elastische pakking heeft geen gevolgen, omdat het sluiten van de doorlaat door druk gebeurt. Veroudering kan dus nooit leiden tot het plotseling onbruikbaar worden van het ventiel.
De bedieningskracht is verhoudingsgewijs groot, omdat we de luchtdruk op het oppervlak van de klep en/of de kracht van de terugbrengveer moeten overwinnen. In de meeste gevallen zijn klepventielen ventielen die maar in n richting afdichten. Dat is dan ook de reden waarom de pijl in het symbool maar in n richting wordt getekend.
Schuifventielen Het schuifventiel bezit als stuurelement een ronde of vlakke schuif met twee stuurzuigers. Door een afwisselende axiale beweging van de schuif worden bepaalde ventielpoorten met elkaar verbonden of afgesloten.
Schuifventielen hebben van nature een bistabiel gedrag. Weet je nog? De schuif blijft dus in de ingenomen stand staan zolang er geen externe benvloeding wordt op uitgevoerd. En of meer ingebouwde veren hoeven alleen als er een bepaalde voorkeurstand nodig is.
In dat geval heeft het schuifventiel een monostabiel gedrag. De bedieningskracht kan gering zijn, omdat de druk van de perslucht in de doorlaten geen of weinig invloed heeft. De perslucht werkt zijdelings op de schuifvlakken die even groot zijn; de hierdoor opgewekte krachten zijn met elkaar in evenwicht. Ook de kracht van een eventueel aanwezige retourveer is maar gering. De schakelweg bij schuifventielen is langer dan bij klepventielen, waardoor ze als signaalgever minder geschikt zijn in toepassingen. Een constructieprobleem bij schuifventielen is de afdichting. De uit de hydraulica bekende "metaal-op-metaal"-afdichting is met lucht moeilijk te
realiseren. De passing tussen schuif en huis mag dan niet meer dan 0,002 0,004 mm bedragen om de lekverliezen te beperken. Daarom kiezen de meeste fabrikanten voor een positieve afdichting in de vorm van O-ringen of manchetten. De boringen van de poorten die door de afdichtingen gepasseerd worden, zijn vaak verdeeld in een grote reeks kleine gaatjes die samen een voldoende doorlaat opleveren. De levensduur van de afdichtingen wordt hierdoor aanzienlijk verlengd. Bij schuifventielen mag de lucht in twee richtingen door het ventiel stromen. Hierdoor wordt het ventiel bidirectioneel, dit wordt in het symbool aangegeven door een pijl in beide richtingen te tekenen.
8
B. Wegventielen in het bijzonder
7. Overlappingen
Positieve overlapping Bij een progressieve bediening van de schuif worden eerst alle poorten afgesloten en pas dan maakt men de gewenste doorlaat. Dit heeft tot gevolg dat er geen lucht verloren gaat.
Een ventiel met positieve overlapping heeft dus een overgangstoestand waarbij alle poorten afgesloten zijn.
Negatieve overlapping Tijdens de beweging van een ventiel met negatieve overlapping worden eerst alle poorten met elkaar verbonden en nadien pas de nodige poorten afgesloten. Dit heeft tot gevolg dat bij langzame bewegingen van de schuif alle
poorten met elkaar doorverbonden zijn en veel lucht, die geen arbeid verricht, ontsnapt. Daarom is een ventiel met negatieve overlapping of overlappende ontluchting niet echt geschikt voor mechanische of handbedieningen.
8. Elektromagnetische bediening
Deze reeks ventielen treffen we aan in alle systemen, waar pneumatische elementen elektrisch of elektronisch worden aangestuurd. Bij besturingen over grote afstanden waarbij tevens korte reactietijden vereist zijn, zal je in de meeste gevallen aangewezen zijn op een elektrische besturing. We onderscheiden direct en indirect gestuurde elektromagnetische ventielen.
Directe besturing Het direct gestuurde ventiel kan alleen gerealiseerd worden met een kleine ventieldoorlaat. Een grote doorlaat doet de elektromagneet te sterk toenemen. Bij het bekrachtigen van de elektromagneet wordt het anker, tegen de veerkracht in, naar boven getrokken. Daardoor worden de poorten (1) en (2) met elkaar verbonden. Aan de andere kant van het
anker wordt ontluchting (3) gesloten. Wordt de magneet uitgeschakeld, dan drukt de veer het anker weer op zijn onderste ventielzitting en wordt de verbinding (1 2) afgesloten. Poort (2) kan dan naar (3) ontluchten. Dit ventiel heeft een negatief overlappende ontluchting, maar omdat de omschakeling zeer snel gebeurt, is dit geen bezwaar.
9
Dossier wegventielen
B. Wegventielen in het bijzonder
Indirecte besturing Om de elektromagneten klein te houden wordt, voor elektrische ventielen met enig schakelvermogen, een indirecte besturing toegepast. Deze indirect gestuurde ventielen worden meestal samengesteld uit twee ventielen: een pneumatisch bediend ventiel (het hoofdventiel) dat op zijn beurt bestuurd wordt door een opgebouwd
3/2-magneetventiel met kleine doorlaat. In plaats van twee symbolische voorstellingen gebruiken we een vereenvoudigd gecombineerd symbool waarbij we het stuurventiel als een deel van de bediening van het hoofdventiel tekenen. Aan de eigenlijke bediening voegen we een pneumatische bediening toe.
Indirect elektroventiel met interne stuurvoeding Er loopt vanaf de persluchtaansluiting (1) op het hoofdventiel een boring naar de ventielzitting van het stuurventiel. Een veer drukt het anker op de zitting. Bij bekrachtiging van de spoel wordt het anker omhoog getrokken. De lucht uit de
boring kan naar de stuurzuiger van het hoofdventiel. Indien de voedingsdruk voldoende groot is (0,15 0,6 MPa) kunnen wij de veerkracht overwinnen en hebben wij een doorstroming van voeding (1) naar uitgang (2). Na het uitschakelen van de stuurstroom drukt de veer het anker opnieuw op de zitting en
wordt de stuurvoeding afgesloten. De ruimte boven de stuurzuiger ontlucht langs het anker en de veer onder de klep duwt het ventiel terug in zijn rustpositie waardoor er een doorgang is van uitgang (2) naar ontluchting (3).
Indirect elektroventiel met externe stuurvoeding Nu er een scheiding is tussen vermogen- en stuurvoeding kan de persluchtvoeding van de poort (1) gelijk welke druk hebben, gaande van vacum tot hoge druk. Voor de stuurvoeding blijft een druk van 0,15 0,6 MPa noodzakelijk om de tegendruk van de mechanische of pneumatische veer te kunnen overwinnen.
Er loopt van de persluchtaansluiting (12) op het stuurventiel een boring naar de ventielzitting. Het ventielanker wordt door een veer op de zitting gedrukt. Bij bekrachtiging van de spoel wordt het anker omhoog getrokken en de lucht uit de boring kan naar de stuurzuiger van het hoofdventiel waardoor we een doorstroming van voeding (1) naar uitgang (2) krijgen.
Na het uitschakelen van de stuurstroom drukt de veer het anker opnieuw op zijn zitting en wordt de stuurvoeding afgesloten. De ruimte boven de stuurzuiger ontlucht langs het anker. De veer onder de klep duwt het ventiel terug in zijn rustpositie waardoor er een doorgang is van de uitgang (2) naar de ontluchting (3).
10
B. Wegventielen in het bijzonder
9. Dimensioneren
Het debiet, ook wel doorstroomcapaciteit of volumestroom genoemd, is maatgevend voor de keuze van een ventiel. Indien we een cilinder laten bewegen, zal dit steeds met een bepaald minimaal debiet bij een bepaalde druk moeten gebeuren. Kennen we het debiet van een ventiel bij een bepaalde voedingsdruk en een gegeven drukval, dan weten we of dat ventiel voldoet om de gegeven cilinder aan te sturen. De doorstroomcapaciteit (= volumestroom) van ventielen bij een bepaald drukverlies is ook een belangrijk gegeven voor de ontwerper van een pneumatische besturing. Ook volgende gegevens zijn maatgevend voor de keuze van een ventiel: - het volume en de snelheid van de cilinder; - de vereiste schakelfrequentie; - het toelaatbare drukverlies. Wat deze criteria betreft is het noodzakelijk dat we van een ventiel de nominale doorstroomcapaciteit Qn of
klepconstante Kv kennen. Deze waarden worden door de fabrikant bepaald. Bij het meten laat men lucht in n richting door het ventiel stromen. De druk op de ingang is bekend en de druk op de uitgang kan men meten. Uit deze twee waarden verkrijgt men het drukverschil (p
Qn is een ijkwaarde bepaald bij0,6 MPA druk, een drukverliesp = 0,1 MPa en een
Surf naar www.festo.be voor meer informatie !
temperatuur van 293 K (20C).
). Met een stromingsmeter
kan dan de volumestroom van het medium bepaald worden.
Kv is een internationaal genormaliseerde waarde, afkomstig uit de procestechniek, waarmee we voor elk ventiel de doorstroming kunnen berekenen.
De factoren die bij de bepaling van de doorstroomcapaciteit zijn betrokken, zijn dus de volgende:
Hou er wel rekening mee dat het debiet verandert wanneer de voedingsdruk verandert ofp
een andere waarde krijgt.
p1 = druk op de ingang van het ventiel (MPa) p2 = druk aan de uitgangzijde van het ventiel (MPa) = drukverschil p1 - p2 (MPa) p T1 = temperatuur (K) Qn = nominale doorstroomcapaciteit Kv = klepconstante
Als de ijkwaarde Qn bekend is, kunnen we de doorstroming bij andere drukken berekenen. Dit gaat het snelst met behulp van een nomogram. Laten we op het internet een voorbeeld bekijken, zodat we de praktische werkwijze kunnen verduidelijken.
11
Dossier wegventielen
B. Wegventielen in het bijzonder
10. Montage
Er bestaan vele montagemogelijkheden voor ventielen. Hieronder geven we een overzicht van de meest voorkomende montages. Verschillende ventielen op een gezamenlijk profiel met daarin de gemeenschappelijke druk(P) en ontluchtingsaansluitingen (R en S) (PRS-profiel). Verschillende ventielen in batterijmontage waarbij alle koppelingen (zowel de druk als de ontluchtingen en de sturingen) op de basisplaat opgenomen zijn. Basisplaten kunnen bekomen worden in genormaliseerde ISOafmetingen, hierop passen dan alle ISO-ventielen.
Individueel ventiel zonder basisplaat.
Individueel ventiel op basisplaat.
Ventieleilanden
Speciale uitvoeringen Indien men in zeer warme omgevingen werkt, dient men rekening te houden met het feit dat de traditionele dichtingen slechts temperaturen tot 80 C aankunnen. In dergelijke gevallen moet men ventielen met hittebestendige dichtingen in viton gebruiken.
11. Drukbereik
We moeten ook nog nagaan of het ventiel geschikt is om te werken bij de vereiste voedingsdruk.
Sommige ventielen zijn enkel geschikt om te werken met overdruk en zijn dus niet geschikt voor vacum. Voorgestuurde of pilootgestuurde ventielen eisen
meestal een bepaalde minimale druk die, al naargelang het type, 0,1 tot 0,3 MPa kan bedragen. Deze ventielen zijn dus niet geschikt om met vacum of met vrij lage drukken te werken.
Alle ventielen hebben een maximale toelaatbare werkdruk die niet mag worden overschreden. Surf naar www.festo.be voor meer informatie.
12
Festo codering
Wil je de afkortingen kennen die Festo gebruikt om de producten
in dit dossier te benoemen, surf dan naar www.festo.be.
Toepassingen
Surf naar www.festo.be en ontdek de toepassingen van het wegventiel.
De Festo uitdaging
Een gravitatiemagazijn voedt een dubbelwerkende cilinder aan werkstukken. De machineoperator moet de machine opstarten door een startknop te bedienen. Om de machine af te zetten moet een stopknop bediend worden. Nadat de startprocedure uitgevoerd werd, mag de cilinder uitgaan van zodra een werkstuk gedetecteerd wordt onderaan het gravitatiemagazijn. Vanaf het ogenblik dat het werkstuk volledig is uitgeduwd, mag de cilinder terug inschuiven.
Verdere gegevens Je beschikt over gefilterde perslucht met een gereduceerde werkdruk van 0,5 MPa. De kracht nodig om het werkstuk uit de duwen = 1500 N. De slaglengte van de cilinder moet minimaal 300 mm bedragen. Het aantal te verwerken stukken per minuut = 30. Een elektrische sturing is niet toegelaten.
Wat wij van jou verwachten Teken het pneumatische schema van deze opstelling (Opgelet: enkel wegventielen mogen gebruikt worden!). Bereken het minimale debiet dat naar de cilinder moet vloeien. Kies de juiste cilinder en zijn toebehoren uit de Festo catalogus. Kies de nodige ventielen uit de Festo catalogus. Zoek de bijbehorende koppelingen en leidingen op. Geef het maximale debiet dat door het door jou gekozen vermogenventiel kan vloeien bij de gegeven werkdruk. Spelregels Enkel studenten die hun volledige gegevens doorgeven, mogen deelnemen aan de uitdaging. Alleen antwoorden die ons bereiken vr 4 april 2003 komen in aanmerking.
Wedstrijdverloop NIEUW! Ter herinnering: er is slechts n winnaar: diegene die het meest correcte en volledige antwoord indient binnen de opgegeven tijdslimiet. Ongeacht het antwoord juist is of niet, elke deelnemende school ontvangt gratis de Festo software FluidDRAW. Indien we geen correct antwoord hebben, is de eindwinnaar diegene met de beste oplossing. In geval van ex aequo geldt het recht van de snelste inzending. Prijzen Elke deelnemende school ontvangt 1 cd-rom software FluidDRAW. Dit met een maximum van 1 exemplaar per school, ongeacht het aantal verschillende deelnemers aan verschillende uitdagingen. De winnaar ontvangt 12 filmtickets ongeacht of het nu om n persoon gaat of een groep.
13
