Una valvola direzionale di controllo è costituita da un corpo valvola con canali interni e da una parte mobile chiamata otturatore. L’otturatore può collegare o bloccare i canali interni. Per la maggior parte delle valvole idrauliche industriali standard, l’otturatore ha forma cilindrica — questo tipo è denominato valvola direzionale a otturatore, o semplicemente valvola a otturatore. Le valvole a otturatore sono il tipo più diffuso di valvola direzionale nell’idraulica industriale. Questo capitolo ne illustra i tipi, la costruzione, i principi di funzionamento e i metodi di comando.

Valvola direzionale a quattro vie

Il primo tipo di valvola direzionale da considerare è quello con quattro passaggi interni: un passaggio di pressione, un passaggio di ritorno (serbatoio) e due passaggi di lavoro. Si tratta della valvola direzionale a quattro vie, così chiamata per i quattro diversi passaggi presenti nel suo corpo valvola. La valvola direzionale a quattro vie controlla cilindri idraulici o motori idraulici per invertirne il senso di movimento.

Funzione della valvola a quattro vie in un circuito

Tutte le valvole direzionali sono costituite da un corpo valvola e da uno spool interno mobile. Lo spool ha almeno due posizioni — due posizioni estreme. Queste due posizioni sono rappresentate nel simbolo grafico di una valvola direzionale mediante due riquadri separati. In ciascun riquadro, le frecce indicano come i canali interni del corpo valvola sono collegati quando lo spool si trova in quella posizione. Quando si rappresenta una valvola direzionale con un simbolo grafico, entrambi i riquadri devono essere collegati tra loro. Nel posizionamento all’interno di un circuito, esattamente uno dei due riquadri deve essere inserito nel circuito. In questo modo, quando l’attuatore si muove in una direzione, il percorso interno del flusso nella valvola direzionale è chiaramente visualizzato. Quando l’altro riquadro del simbolo deve rappresentare il movimento dell’attuatore nella direzione opposta, è sufficiente inserire tale riquadro in modo continuo nel circuito.

Una valvola direzionale con soltanto due posizioni dello spool è denominata valvola a due posizioni.

Figura 10-1 Valvola direzionale a quattro vie. Il simbolo a due caselle rappresenta le due posizioni dello stelo. Solo una casella è collegata al circuito alla volta; lo spostamento dello stelo determina il passaggio da una casella all’altra, invertendo il movimento del cilindro.

Funzione del circuito della valvola a quattro vie

Quando lo stelo si trova in una posizione estrema, il passaggio di pressione è collegato al passaggio di lavoro A, mentre il passaggio di ritorno è collegato al passaggio di lavoro B. Quando lo stelo passa all’altra posizione estrema, il passaggio di pressione è collegato al passaggio di lavoro B e il passaggio di ritorno al passaggio di lavoro A. Lo scambio della posizione estrema dello stelo inverte la direzione del flusso dell’olio nel cilindro idraulico, provocando l’estensione o la retrazione della sua asta.

Valvola direzionale a tre vie

Una valvola direzionale a tre vie ha tre canali interni: un canale di pressione, un canale di ritorno e un canale di lavoro. La sua funzione è la seguente: quando lo spool si trova in una posizione estrema, pressurizza il porto di lavoro; quando si trova nell’altra posizione estrema, depressurizza il porto di lavoro. In altre parole, la valvola a tre vie commuta alternativamente la pressurizzazione e la depressurizzazione di un singolo porto di lavoro.

Funzione del circuito della valvola a tre vie

Una valvola a tre vie può controllare attuatori a semplice effetto, come i cilindri a stantuffo con ritorno a molla. In tali applicazioni, nella prima posizione la valvola a tre vie immette olio sotto pressione nell’estremità del cilindro priva di stelo; quando viene commutata nell’altra posizione, il flusso verso l’attuatore viene bloccato e il canale dell’attuatore viene collegato al canale di ritorno all’interno del corpo valvola, consentendo così allo stelo del cilindro di ritrarsi per gravità o per azione della molla.

Quando la valvola a tre vie si trova nella posizione che collega il condotto di lavoro al condotto di ritorno, un cilindro a stantuffo montato verticalmente può ritrarsi per gravità, mentre la stelo di un cilindro a ritorno a molla si ritrae per effetto della forza della molla.

Nelle applicazioni idrauliche industriali, le valvole a tre vie sono rare. Se è necessaria una funzione a tre vie, si utilizza di solito una valvola a quattro vie con uno dei condotti di lavoro ostruito.

Figura 10-3: Valvola direzionale a tre vie per il comando di cilindri a semplice effetto (a ritorno a molla). In una posizione il cilindro viene pressurizzato; nell’altra posizione il cilindro viene collegato al serbatoio e la molla ne fa ritrarre lo stelo.

Valvola direzionale a due vie

Una valvola direzionale a due vie possiede solo due condotti — questi due condotti possono essere collegati o scollegati mediante lo spool. Quando lo spool si trova in una posizione estrema, il passaggio del flusso attraverso la valvola è aperto; quando si trova nell’altra posizione estrema, il passaggio è chiuso.

Funzione del circuito con valvola a due vie

La valvola direzionale bidirezionale funge da interruttore di accensione/spegnimento in un circuito. Questa funzione è utilizzata in molti sistemi come dispositivo di sicurezza di interblocco oppure per isolare e collegare vari componenti all’interno del sistema.

Classificazioni e specifiche delle valvole direzionali

Le valvole direzionali utilizzate nell’idraulica industriale sono disponibili in diverse dimensioni standard: 1/4", 3/8", 1/2", 3/4" e 1-1/4" (6,35 mm, 9,5 mm, 12,7 mm, 19,05 mm e 31,75 mm). Nelle applicazioni industriali vengono comunemente classificate in base alla loro portata media piuttosto che alle dimensioni dei raccordi. Ad esempio, le portate nominali sono: 3–10 gpm (11,37–37,9 lpm), 10–20 gpm (37,9–45,48 lpm), 40 gpm (75,8 lpm), 80 gpm (303,2 lpm) e 160 gpm (379 lpm). Alla portata nominale, la caduta di pressione da P ad A o da B a T è approssimativamente di 40 psi (2,76 bar).

Stelo della valvola direzionale

La valvola direzionale a quattro vie che abbiamo esaminato presenta un otturatore costituito da un albero con tre sezioni cilindriche di grande diametro, dette 'lands'. L'uguale distanza tra i tre 'lands' definisce questo otturatore come un otturatore a tre 'lands'. La maggior parte delle valvole direzionali idrauliche industriali presenta otturatori a due o a quattro 'lands'. Le valvole per portate inferiori utilizzano tipicamente otturatori a due 'lands'; gli otturatori a quattro 'lands' sono più comuni nelle valvole progettate per portate maggiori.

Figura 10-5 – Otturatori di valvole direzionali. Gli otturatori a due 'lands' sono comuni nelle valvole più piccole; quelli a quattro 'lands' in quelle più grandi. Il numero e la posizione dei 'lands' determinano quali passaggi risultano collegati o bloccati in ciascuna posizione dell'otturatore.

Valvola direzionale a quattro vie montata su piastra di supporto

La valvola direzionale a quattro vie descritta sopra possiede quattro raccordi. Generalmente, i raccordi di pressione e di ritorno si trovano su un lato del corpo valvola, mentre i due raccordi di lavoro si trovano sul lato opposto. Questa disposizione dei raccordi è molto simile al simbolo grafico della valvola direzionale. Per facilitare l’installazione, la maggior parte delle valvole direzionali idrauliche industriali adotta una configurazione con montaggio su piastra di supporto: il corpo valvola viene fissato con viti a una piastra di supporto che collega le tubazioni del sistema. I raccordi delle valvole montate su piastra di supporto sono situati sulla faccia inferiore del corpo valvola.

Azionamenti delle valvole direzionali

Abbiamo visto che lo spool della valvola direzionale può essere posizionato all’estremità opposta o all’altra estremità. Lo spostamento dello spool può essere effettuato mediante azionamento meccanico, elettrico, idraulico, pneumatico o manuale.

Operazione manuale

Una valvola direzionale azionata dalla forza muscolare è chiamata valvola a comando manuale. Esistono molti tipi di dispositivi di comando manuale, tra cui leve, pulsanti e pedali per i piedi. Il meccanismo di azionamento meccanico più comune è un perno a camma la cui estremità superiore è dotata di un rullo: quando la camma sull’attuatore si muove verso il basso e colpisce il rullo, lo stantuffo passa in un’altra posizione. Con l’azionamento manuale, la sequenza di azionamento e il controllo della valvola direzionale devono essere determinati dall’intenzione dell’operatore. Se la valvola direzionale deve commutare in una posizione specifica dell’attuatore, può essere utilizzata una valvola direzionale azionata meccanicamente.

Controllo pilota

Lo stantuffo delle valvole direzionali può essere spostato anche mediante pressione pilota pneumatica o idraulica. Per gli stantuffi a quattro settori, la pressione pilota agisce sui settori dello stantuffo in entrambe le posizioni estreme. Per gli stantuffi a due settori, la pressione pilota agisce su un singolo pistone pilota.

Comando a solenoide (elettromagnetico)

Il modo più comune per controllare una valvola direzionale è mediante un elettromagnete (solenoide). Un solenoide è un dispositivo elettromeccanico che converte l'energia elettrica in forza meccanica lineare e movimento. L'attuatore corrispondente in un sistema idraulico è il cilindro idraulico.

Solenoide di tipo a secco

Dei due tipi di solenoide, quello a secco è il modello più antico. Funziona secondo i principi base dell’elettromagnetismo ed è costituito da un nucleo di ferro a forma di "T", da una bobina e da una struttura a forma di "C". A causa della forma del nucleo di ferro e della struttura che circonda la bobina, questo tipo è talvolta denominato elettromagnete "CT". Il ferro è un buon conduttore magnetico, mentre l’aria presenta una scarsa conducibilità magnetica. Il principio di funzionamento del solenoide a secco è il seguente: il campo magnetico attira il nucleo di ferro all’interno della bobina, riducendo così la grande resistenza magnetica causata dal traferro al centro della bobina. Man mano che il nucleo di ferro si muove verso l’interno, il traferro diminuisce progressivamente, la forza di spinta elettromagnetica aumenta e la forza elettromagnetica esercitata quando il nucleo di ferro si trova all’interno della bobina è maggiore rispetto a quando si trova all’esterno.

Solenoide a umido

L'elettrovalvola a solenoide di tipo umido è una progettazione relativamente più recente nel campo dell'oleodinamica industriale. Rispetto alle progettazioni con intercapedine d'aria, il vantaggio del solenoide umido consiste in una migliore dissipazione del calore e nell'eliminazione delle guarnizioni della spinta che possono causare perdite negli elettrovalvole a solenoide di tipo secco, migliorando così l'affidabilità.

Costruzione dell'elettrovalvola a solenoide di tipo umido

Un'elettrovalvola a solenoide di tipo umido è composta da una bobina, un telaio rettangolare, una spinta, un'armatura (nucleo di ferro) e un tubo guida. La bobina è racchiusa nel telaio rettangolare; entrambi sono sigillati insieme con plastica. Questo insieme presenta un foro passante al centro della bobina e su entrambi i lati del telaio — tale foro si inserisce sul tubo guida. Il tubo guida contiene l'armatura. Il tubo guida è montato a pressione sul corpo della valvola direzionale; la cavità interna del tubo guida è collegata al passaggio di ritorno della valvola direzionale, in modo che l'armatura sia immersa nell'olio del sistema — ecco perché viene definita "armatura umida".

Funzionamento dell'elettrovalvola a solenoide di tipo umido

Quando una corrente attraversa la bobina, quest'ultima genera un campo magnetico, potenziato dal percorso magnetico rettangolare in ferro che circonda la bobina e dall'armatura posizionata al centro della bobina. Quando viene applicata corrente alla bobina con armatura a umido, l'armatura mobile si trova parzialmente all'esterno della bobina. Il campo magnetico generato dalla corrente attrae l'armatura verso l'interno, facendola urtare meccanicamente la barra di spinta collegata allo stantuffo della valvola, provocando lo spostamento della valvola direzionale. Durante lo spostamento dello stantuffo, l'armatura entra completamente nella bobina, concentrandone interamente il campo magnetico nel percorso magnetico in ferro.

Il ferro è un buon conduttore magnetico, mentre l'olio che circonda l'armatura e la barra di spinta ha una scarsissima conducibilità magnetica. Il principio di funzionamento del solenoide di tipo "bagnato" è il seguente: il campo magnetico attira l'armatura verso l'interno per ridurre il grande traferro al centro della bobina. Man mano che l'armatura si muove verso l'interno, il traferro diminuisce progressivamente, la forza elettromagnetica di spinta aumenta e, quando l'armatura è completamente inserita nella bobina, la forza elettromagnetica risulta maggiore rispetto a quella esterna.

Figura 10-9 Solenoide di tipo "bagnato". L'armatura è immersa nell'olio idraulico (da cui il termine "bagnato"), eliminando la tenuta dinamica della barra di spinta. Offre una migliore dissipazione del calore e una maggiore affidabilità rispetto al tipo "asciutto".

Ronzio CA

Negli Stati Uniti, l'alimentazione per i sistemi di controllo industriale è tipicamente in corrente alternata (CA). La corrente alternata statunitense compie un ciclo che va da zero al picco positivo, ritorna a zero, prosegue fino al picco negativo e infine torna a zero con una frequenza di 60 cicli al secondo (60 Hz). Quando la corrente raggiunge il picco positivo o negativo, il campo magnetico e la forza elettromagnetica sono massimi. Man mano che la corrente diminuisce passando per lo zero, anche il campo magnetico e la forza si riducono, provocando lo spostamento verso l'esterno del nucleo di ferro o dell'armatura da parte del carico a solenoide con molla di richiamo (normalmente lo stantuffo della valvola con molla di richiamo). Quando il campo e la forza aumentano nuovamente, richiamano il nucleo di ferro o l'armatura verso l'interno. Questo movimento genera il caratteristico rumore di ronzio, brusio o vibrazione del solenoide — noto come "ronzio CA".

Anello di cortocircuito (bobina di schermatura)

Per ridurre il ronzio CA e aumentare la forza di spinta del solenoide, viene utilizzato un anello di cortocircuito (bobina di ombreggiatura) per la compensazione. Nei solenoidi di tipo a secco, l'anello di cortocircuito è un anello di rame fissato al telaio a forma di C. Nei solenoidi di tipo a umido, si tratta di un anello di rame posto all'estremità della guida del pistone di spinta. Quando il solenoide è in funzione, l'anello induce una corrente che ritarda rispetto alla corrente di lavoro applicata. In questo modo, quando il campo magnetico principale della bobina è al suo minimo, il campo magnetico generato dall'anello di cortocircuito è sufficiente a mantenere in posizione il nucleo di ferro o l'armatura, riducendo notevolmente il ronzio CA.

Correnti parassite

Il campo magnetico alternato pulsante può generare piccole correnti parassitarie nella bobina — si tratta di correnti parassitarie (correnti di Foucault), che scorrono in piccoli circuiti lungo il percorso magnetico in ferro, assorbendo potenza e generando calore, riducendo così la forza di spinta in uscita della bobina. Per minimizzare gli effetti delle correnti parassitarie, si utilizzano lamine metalliche sottili per realizzare il telaio a forma di C e il nucleo in ferro della bobina di tipo "a secco". Le lamine metalliche sono isolate l’una dall’altra da strati di ossido. Il campo magnetico attraversa facilmente il normale percorso magnetico delle lamine, ma, a causa degli strati isolanti, le correnti parassitarie non possono scorrere tra una lamina e l’altra. Poiché il telaio a forma di C è realizzato impilando insieme lamine isolate, viene comunemente denominato "pila del telaio a forma di C". Per le bobine di tipo "a umido", la minimizzazione delle correnti parassitarie avviene mediante lamine in ferro isolate per il telaio rettangolare, mentre per l’armatura ciò non è applicabile, poiché le bobine a umido sono più potenti di quelle a secco. Dal punto di vista della durata, realizzare l’armatura con lamine non è fattibile: nelle bobine a umido, l’armatura è un pezzo massiccio.

Corrente di inserzione del solenoide

La corrente alternata nelle bobine del solenoide genera una forza elettromagnetica che sposta lo stantuffo della valvola direzionale, ma produce anche calore, causando infine il bruciamento della bobina del solenoide. Maggiore è la corrente che attraversa la bobina del solenoide, maggiore è la tendenza della bobina stessa a guastarsi. Se il solenoide non si muove per chiudere il traferro, la bobina sarà attraversata da una corrente molto elevata, provocando surriscaldamento. A differenza dei sistemi idraulici, nei quali la portata è relativamente costante, nei normali sistemi elettrici la corrente è legata alla resistenza: maggiore è la resistenza, minore è la corrente e quindi minore è il calore generato. Poiché il calore influisce in modo significativo sulla durata operativa del solenoide, l’obiettivo è utilizzare la minima corrente possibile pur generando una forza di spostamento sufficiente. Ciò si ottiene progettando bobine con un’impedenza in corrente alternata (resistenza reattiva) adeguata.

L'impedenza ha due componenti: la resistenza pura del materiale conduttore al flusso di elettroni — il rame presenta una resistenza minore rispetto all'alluminio — e l'effetto di impedenza prodotto dal campo elettromagnetico intorno alle avvolgiture della bobina. Questo campo magnetico ostacola o limita l'ingresso della corrente nella bobina. Più intenso è il campo, minore sarà la corrente nelle avvolgiture della bobina a solenoide.

Quando il solenoide viene inizialmente alimentato, il nucleo mobile in ferro o l'armatura si trova parzialmente all'esterno della bobina, creando un ampio traferro al centro della bobina. In questa posizione, il campo magnetico non è molto intenso; la resistenza alla corrente deriva principalmente dalla resistenza pura del conduttore, generando una forte corrente di spunto nelle avvolgiture della bobina. Man mano che il nucleo in ferro o l'armatura si muove verso l'interno, il traferro si riduce progressivamente e la corrente diminuisce. Quando il nucleo in ferro o l'armatura è completamente inserito, l'impedenza raggiunge il valore massimo e la corrente alternata assume il valore minimo.

La corrente di inserzione di picco quando la bobina elettromagnetica viene alimentata per la prima volta è pari a diverse volte la corrente di ritenzione una volta che il nucleo ferroso o l’armatura siano completamente in sede. Se un’interferenza meccanica impedisce al nucleo ferroso o all’armatura di raggiungere completamente la posizione di chiusura, una corrente molto elevata attraversa la bobina, generando un calore enorme. Per le bobine elettromagnetiche a secco non incapsulate, ciò provoca la fusione dei componenti in plastica all’estremità della bobina; per le bobine elettromagnetiche a secco incapsulate o di tipo bagnato, causa il rigonfiamento della guarnizione in plastica. In entrambi i tipi, l’isolamento del filo si brucia immediatamente e, entro uno o due minuti, la bobina va in cortocircuito: questo è quanto accade quando una valvola a cursore bloccata impedisce lo spostamento della bobina elettromagnetica.

Figura 10-10: Corrente di inserzione rispetto alla corrente di ritenzione per una bobina elettromagnetica in corrente alternata. All’atto dell’alimentazione iniziale, il grande traferro consente una corrente di inserzione elevata (pari a diverse volte la corrente di ritenzione). Una volta completamente in sede, l’impedenza aumenta e la corrente diminuisce. Se la valvola a cursore è bloccata (il traferro non si chiude mai), la corrente di inserzione persiste indefinitamente, con conseguente certa distruzione della bobina.

Bobine elettromagnetiche per funzionamento continuo

Un elettromagnete a regime continuo può rimanere eccitato per un lungo periodo senza surriscaldarsi. La capacità di dissipazione del calore dell'elettromagnete è sufficiente a dissipare gran parte del calore generato dalla minore corrente di ritenzione che attraversa la bobina. La maggior parte delle valvole direzionali idrauliche industriali utilizza elettromagneti a regime continuo.

Limitazioni degli elettromagneti

Le valvole direzionali comandate da elettrovalvola presentano alcuni limiti. Innanzitutto, gli elettromagneti convenzionali non possono essere utilizzati in ambienti umidi o esplosivi. In secondo luogo, quando la durata di servizio della valvola direzionale deve essere particolarmente elevata, si evitano generalmente anche gli elettromagneti comandati elettricamente. Forse il principale svantaggio degli elettromagneti è che la forza di commutazione da essi generata è limitata. Infatti, per le valvole direzionali di grandi dimensioni, la forza di commutazione richiesta è notevole. Per le valvole di maggiori dimensioni (1/4" o 3/8" / 6,35 mm o 9,5 mm), un’elettrovalvola direzionale viene solitamente montata in posizione sovrastante e, durante la commutazione, il flusso proveniente dalla valvola più piccola viene indirizzato sul lato corrispondente dello spool della valvola più grande. Questo tipo è denominato valvola direzionale a comando pilotato da elettrovalvola.

Guasto dell'elettrovalvola

Il calore è la principale causa di guasto dell’elettrovalvola nelle valvole direzionali a comando diretto, causato generalmente da inceppamento dell’elettrovalvola, da alta temperatura ambiente o da bassa tensione (forza di commutazione insufficiente per far sedere completamente il nucleo di ferro o l’armatura).

Inceppamento dell’elettrovalvola

Un'otturazione dello spool impedisce al nucleo di ferro o all'armatura di posizionarsi completamente, causando un assorbimento continuo da parte della bobina dell'elettrovalvola di una corrente di inserzione estremamente elevata. L'elettrovalvola non è in grado di dissipare il calore enorme generato, con conseguente bruciatura finale della bobina. Sebbene un flusso eccessivo attraverso la valvola possa causare l'otturazione dell'elettrovalvola, l'interferenza meccanica con il movimento dello spool rappresenta la causa più comune di otturazione. Contaminanti (quali fanghiglia, scaglie metalliche, sabbia per anime di fusione e nastro in PTFE) possono provocare l'otturazione dello spool, oppure lo spool può rimanere bloccato a causa di bave presenti tra lo spool e il corpo valvola. Le particelle derivanti dall'ossidazione dell'olio e la vernice d'olio possono accumularsi sullo spool, facendo scomparire il gioco tra lo spool e il corpo valvola: la vernice d'olio può essere rimossa mediante pulizia con solvente. Anche una piastra di fissaggio deformata può causare l'otturazione dell'elettrovalvola: quando le viti di fissaggio vengono serrate, il corpo valvola potrebbe deformarsi leggermente, limitando il movimento dello spool e provocando la bruciatura della bobina. I requisiti di planarità della piastra di fissaggio sono tipicamente compresi tra 0,0003–0,0005 pollici (0,00762–0,0127 mm).

Per gli elettromagneti a secco, quando il nucleo di ferro dell'elettromagnete viene attratto nella bobina, si verifica usura tra il nucleo di ferro e il telaio in C. Durante lo smontaggio di questo tipo di elettromagnete, si raccomanda di reinstallare il nucleo di ferro nella sua posizione originale. In caso contrario, la zona usurata non si allinea correttamente, il nucleo di ferro non si inserisce completamente, e l'elettromagnete emette un rumore di ronzio — segnale di imminente guasto.

Talvolta, in una valvola direzionale a doppio elettromagnete, entrambi gli elettromagneti possono essere alimentati contemporaneamente: ciò significa che un nucleo di ferro o un'armatura si inserisce completamente, mentre l'altro rimane incastrato. Il risultato è che la bobina di uno degli elettromagneti si brucia. L'alimentazione contemporanea di entrambi gli elettromagneti è solitamente causata da un guasto del dispositivo di controllo elettrico o da un errore di cablaggio.

Temperatura ambiente elevata

Quando la corrente richiama il nucleo di ferro o l'armatura del solenoide, il calore generato deve essere dissipato dalla bobina. Se la temperatura dell'aria circostante è troppo elevata, la dissipazione del calore risulta difficoltosa e la bobina potrebbe bruciarsi. Questo fenomeno può verificarsi in caso di ventilazione insufficiente o se l'apparecchiatura opera in prossimità di fonti di calore.

Bassa tensione

Per un solenoide da 110 V, 60 Hz, quando la tensione di rete scende a circa 100 V, la forza elettromagnetica generata non è sufficiente a far inserire completamente il nucleo di ferro o l'armatura entro il tempo previsto dal progetto. A causa del prolungamento del tempo di corrente di spunto, il solenoide funziona a temperatura più elevata, causando infine un guasto. Talvolta i primi segnali di bruciatura della bobina sono rumori di ronzio o vibrazione. I problemi legati a bassa tensione si verificano spesso in molti ambienti industriali con elevato consumo di energia. Se si sospetta una bassa tensione, la società elettrica può installare un registratore di tensione continuo per 24 ore al fine di verificare le effettive condizioni.

Valvola direzionale a tre posizioni

Negli esempi precedenti è stato trattato un distributore direzionale a due posizioni (con due posizioni estreme). In alcune applicazioni viene utilizzato un distributore direzionale a tre posizioni. La terza posizione centrale è una posizione neutra o di transizione. Il simbolo grafico di un distributore direzionale a tre posizioni è composto da tre riquadri: il riquadro centrale rappresenta la posizione centrale e le connessioni interne quando lo spool si trova nella posizione centrale.

Distributore direzionale a tre posizioni con centraggio a molla

Il tipo più comune di distributore direzionale a tre posizioni è quello con centraggio a molla. Questo distributore è dotato di molle su entrambe le estremità per mantenere lo spool nella posizione centrale quando nessun elettromagnete è alimentato.

Figura 10-12 – Distributore direzionale a tre posizioni con centraggio a molla. Le molle mantengono lo spool nella posizione centrale quando entrambi gli elettromagneti sono disalimentati. La posizione centrale determina il comportamento del carico del cilindro quando la macchina è ferma.

Condizioni centrali

Esistono quattro configurazioni comuni della posizione centrale. La scelta della condizione centrale determina il comportamento del circuito quando la valvola direzionale si trova nella posizione centrale (nessun elettromagnete eccitato):

Figura 10-13: Quattro configurazioni della posizione centrale. La scelta dipende dai requisiti del circuito: se il cilindro deve mantenere la posizione, galleggiare liberamente o se la pompa deve essere scaricata quando la valvola è nella posizione centrale.

Valvole direzionali proporzionali

Le valvole direzionali standard commutano tra posizioni discrete (aperte/chiuse). Le valvole direzionali proporzionali consentono di posizionare lo stantuffo in qualsiasi punto compreso tra la posizione completamente aperta e quella completamente chiusa, con una relazione lineare e continua tra il segnale elettrico in ingresso e la posizione dello stantuffo e la portata. Ciò consente un controllo continuamente variabile sia della direzione che della portata con una singola valvola.

Valvole direzionali pilotate

Per applicazioni ad alto flusso in cui la forza del solenoide non è sufficiente per spostare direttamente lo stantuffo principale, si utilizza una progettazione a comando pilotato. Una piccola valvola pilota comandata da solenoide indirizza la pressione pilota per spostare lo stantuffo principale di maggiori dimensioni. Questa progettazione a due stadi consente a solenoidi di piccole dimensioni di controllare portate molto elevate: la valvola pilota esegue l’azionamento, mentre la pressione pilota compie il lavoro di spostamento dello stantuffo principale.

Figura 10-14 Valvola direzionale a comando pilotato. La piccola valvola pilota comandata da solenoide (in alto) indirizza la pressione pilota per spostare lo stantuffo principale di grandi dimensioni (in basso). Questa progettazione consente a solenoidi di piccole dimensioni di controllare valvole principali ad alta portata.

Valvole direzionali proporzionali a solenoide

Nel dispositivo di controllo, il segnale di inversione e il segnale di ingresso entrano contemporaneamente. Il segnale di "errore" generato tra i due comanda il dispositivo di controllo a eccitare proporzionalmente un solenoide "A" o "B". Quando il solenoide viene eccitato, converte il segnale in una forza. Il solenoide proporzionale posizionato al centro del corpo valvola, insieme alla molla di precarico della valvola pilota, converte tale pressione di comando in una posizione dello stantuffo pilota. Il sensore di posizione (LVDT) è collegato direttamente allo stantuffo principale della valvola, la cui funzione è fornire un feedback automatico allo stantuffo pilota.

Valvola direzionale a differenza di pressione (comando con motore a coppia)

La valvola direzionale a differenza di pressione è di tipo a tre stadi: la valvola pilota costituisce il primo stadio, mentre la valvola principale rappresenta il secondo stadio. La valvola pilota è più complessa e comprende un motore a coppia, molle, tubi a getto e uno stantuffo regolabile dotato di tappi estremi pilota e di un LVDT. Il secondo stadio (valvola principale) è simile alle altre valvole direzionali a comando pilota.

Costruzione della valvola pilota di prima fase

La valvola pilota è costituita da un motore a coppia, da un tubo a getto, da un distributore con molle sinistra e destra e da componenti simili. Il tubo a getto indirizza la pressione di comando verso una delle due estremità del distributore. La valvola pilota è di tipo analogo alla valvola direzionale a molla centrale.

Valvola principale di seconda fase

La seconda fase (valvola principale) è analoga ad altri tipi di valvole direzionali proporzionali e non verrà qui ripetuta.

Funzionamento della valvola pilota

Il segnale di controllo elettrico fa scorrere la corrente attraverso gli avvolgimenti del motore a coppia tra i due solenoidi. Il confronto e la differenza tra i segnali elettrici determinano la direzione del campo magnetico del motore a coppia. A seconda di quale solenoide riceve il segnale più forte, il getto viene deviato per pressurizzare un’estremità dello stantuffo pilota. Contestualmente, l’uscita del dispositivo di controllo aumenta il flusso verso un lato dello stantuffo della valvola direzionale fino al valore proporzionale, incrementando gradualmente il flusso verso quel lato fino al raggiungimento del valore proporzionale.

Concetti chiave — Capitolo 10