Dimensionarea actuatorului de supapă: un ghid complet de inginerie pas cu pas pentru o funcționare fiabilă

Ce înseamnă de fapt dimensionarea actuatorului de supapă

Răspunsul corect la „cât de mare ar trebui să fie actuatorul meu de supapă?” este simplu: servomotorul trebuie să furnizeze mai mult cuplu decât cere supapa, în cel mai rău punct al cursei, în cea mai scăzută stare de alimentare pe care o poți garanta. Fiecare metodă de dimensionare bună este doar o modalitate structurată de a demonstra acea condiție. Punctul de pornire industrial standard este a marja de siguranta minima a cuplului de 25% peste cuplul maxim de rupere publicat de producătorul supapei.

Un actuator care este dimensionat prea mic se va bloca înainte ca supapa să atingă oprirea finală, va lăsa supapa doar parțial deschisă sau închisă, va consuma curent excesiv și, în cele din urmă, va eșua din cauza supraîncălzirii sau blocării continue. Un actuator dimensionat prea mare poate fi la fel de dăunător: trântește supapa în locurile sale, îndoaie tijele, suprasolicită ornamentul și îngreunează controlul precis. Prin urmare, dimensionarea nu este despre alegerea celui mai mare actuator pe care îl puteți găsi. Este vorba despre a demonstra că punctul inferior al curbei actuatorului se află deasupra punctului înalt al curbei cuplului supapei.

Concluzie: subdimensionarea cauzează nefuncționarea, în timp ce supradimensionarea nesăbuită provoacă daune mecanice. Un calcul documentat al cuplului protejează atât supapa, cât și actuatorul și oferă echipei de proiect o înregistrare pe care o poate verifica din nou atunci când condițiile procesului se schimbă.

Valorile cuplului care conduc fiecare calcul de dimensionare

Dimensionarea începe cu datele cuplului de la producătorul supapei. Pentru o supapă cu un sfert de tură aveți nevoie de patru valori: cuplul de rupere, cuplul de funcționare, cuplul final și cuplul maxim de închidere la presiunea diferențială proiectată. Pentru o supapă liniară aveți nevoie de valorile echivalente de tracțiune. Fără această fișă de date, orice selecție a actuatorului este o presupunere.

Supape un sfert de tură: cuplu de rupere, de funcționare și de sfârșit

• Cuplul de rupere este cuplul necesar pentru a începe rotația și pentru a debloca bila, discul fluture sau dopul. Aceasta este în mod normal cea mai mare valoare din ciclu, în special pentru supapele cu scaun elastic, unde scaunul prinde elementul de închidere.
• Cuplul de rulare este cuplul necesar pentru a menține supapa în mișcare. Constă în principal din frecarea de umplere, frecarea rulmentului și cuplul de curgere care acționează asupra discului sau bilei.
• Cuplul final apare în poziția complet deschisă sau complet închisă, cauzată de compresia scaunului, opritoarele de cursă și, în unele modele, de presiunea procesului de încărcare pe elementul de închidere.

Supape liniare: sarcina scaunului, frecarea umpluturii și dezechilibru

• Sarcina scaunului este forța necesară pentru a apăsa ștecherul sau poarta în scaun pentru a atinge clasa de oprire necesară. Este adesea mai mare pentru supapele cu scaun metalic decât pentru supapele cu scaun moale.
• Frecarea ambalajului este rezistența tijei la alunecarea prin cutia de ambalare. Crește odată cu îmbătrânirea ambalajului și este întotdeauna mai mare după ce supapa a fost în funcțiune timp de câteva cicluri.
• Dezechilibru hidraulic este forța generată de presiunea procesului care acționează asupra zonei efective a dopului. Pentru o supapă cu glob cu un singur loc în serviciul de cădere de presiune ridicată, acest termen poate domina calculul de tracțiune.

Procedura de dimensionare pas cu pas a actuatorului de supapă

Utilizați această procedură atât pentru robinete noi, cât și pentru proiecte de modernizare. Funcționează pentru actuatoare pneumatice, hidraulice și electrice, doar calculul cuplului de alimentare se schimbă între tehnologii.

1. Solicitați foaia de cuplu a supapei. Obțineți valorile cuplului de rupere, de funcționare și de final la presiunea diferențială maximă și temperatura maximă. De asemenea, rețineți dimensiunile antrenării tijei și dimensiunea flanșei de montare.
2. Aplicați factorul de siguranță. Înmulțiți cel mai mare cuplu al supapei publicat cu cel puțin 1,25. Pentru servicii murdare, abrazive sau cu ciclu mare, utilizați 1,5 sau mai mare.
3. Definiți poziția de siguranță. Decideți dacă supapa trebuie să nu se deschidă, să nu se închidă sau să rămână în poziție la pierderea puterii sau a aerului. Aceasta determină tipul de acţionare şi cerinţa arcului.
4. Confirmați condițiile de furnizare. Înregistrați presiunea pneumatică minimă garantată, domeniul de presiune hidraulică sau tensiunea de alimentare electrică disponibilă la locația actuatorului.
5. Selectați un actuator de probă. Comparați cuplul de ieșire al catalogului de actuatoare la presiunea minimă de alimentare cu cuplul necesar, inclusiv factorul de siguranță.
6. Verificați fiecare punct de cuplu. Pentru actuatoarele cu retur cu arc, verificați pornirea aerului, capătul aerului, pornirea arcului și cuplurile de capăt ale arcului. Pentru actuatoarele cu dublă acțiune, verificați ieșirea la presiunea de alimentare minimă în ambele direcții.
7. Verificați timpul de cursă și accesoriile. Confirmați că servomotorul acţionează supapa în timpul limită de proces, că interfața de montare se potrivește cu dimensiunile ISO 5211 și că poziționetoarele, întrerupătoarele de limită sau piloții solenoizi nu supraîncărcă ieșirea actuatorului.

Această secvență pare simplă, dar pasul de verificare este locul în care supraviețuiesc cele mai multe erori de dimensionare. Efectuați întotdeauna verificarea cuplului în patru puncte înainte de a aproba un actuator cu retur cu arc pentru achiziționare.

Factori de siguranță: Cât de multă marjă de cuplu este suficientă

Factorul de siguranță este cea mai simplă și mai greșit înțeleasă parte a dimensionării actuatorului. Nu este permisiunea de a alege un model mai mare aleatoriu. Este o toleranță deliberată pentru incertitudinile care apar în fiecare instalație reală: toleranța de măsurare a cuplului, îmbătrânirea ambalajului, uzura scaunului, presiunea diferențială neconcepțională și mediile de proces murdare. Fiecare dintre acestea mărește cuplul pe care supapa îl solicită de fapt în comparație cu fișa de date a supapei proaspete.

Scrieți factorul de siguranță ales în specificația tehnică, astfel încât următorul inginer sau furnizorul pachetului de supape să vă poată reproduce exact calculul. O marjă care nu este documentată va fi renegociată la fiecare întâlnire de proiect, iar rezultatul este adesea un actuator inutil de mare cumpărat pentru a rezolva o ceartă.

Dimensiune sigură cu returnare prin primăvară: verificarea în patru puncte

Un actuator cu retur cu arc produce un cuplu diferit în fiecare poziție, deoarece arcul se comprimă pe măsură ce actuatorul se deplasează. Cuplul aerului este cel mai mare când actuatorul începe să se miște și cel mai scăzut când arcul este complet comprimat. Cuplul arcului este invers: cel mai mic în poziția deschis, cel mai mare în poziția închis. De aceea, un singur număr de cuplu nu este niciodată suficient pentru un actuator de siguranță.

Pentru un actuator cu retur cu arc închis, verificați aceste patru puncte de funcționare în ordine:

• Pornire cu aer (supapă închisă, aer aplicat): actuatorul trebuie să depășească cuplul de rupere a supapei cu presiunea aerului și să înceapă deschiderea. Cuplul de pornire cu aer trebuie să fie mai mare decât cuplul de rupere.
• Capăt de aer (ropa deschisă, arc comprimat): cuplul aerului este în punctul cel mai scăzut. Trebuie să fie în continuare mai mare decât cuplul de funcționare, altfel supapa va încetini și se va opri înainte de a ajunge în poziția deschisă.
• Pornire cu arc (supapă deschisă, aerisit): arcul începe să împingă supapa închisă. Cuplul de pornire cu arc trebuie să fie mai mare decât cuplul de rulare, altfel supapa se va bloca la mijlocul cursei.
• Capăt arc (supapă închisă, arc așezat): cuplul arcului este maxim. Cuplul final al arcului trebuie să fie suficient de mare pentru a așeza complet supapa împotriva presiunii diferențiale.

O defecțiune obișnuită este verificarea doar a cuplului de la capătul arcului. În multe modele scotch-yoke, cuplul aerului scade cu 30% până la 50% între pozițiile deschis și închis. Dacă cuplul la capătul aerului scade sub cuplul de funcționare, supapa se va strecura spre poziția închis în timpul funcționării normale, iar poziționerul va lupta cu actuatorul toată ziua.

Exemplu de lucru: dimensionarea unui actuator pneumatic pentru o supapă fluture

Următorul calcul utilizează valori ilustrative. Înlocuiți-le cu datele de cuplu de la producătorul dvs. de supape înainte de a lua o decizie de cumpărare.

O fabrică de proces trebuie să automatizeze o supapă fluture cu scaun elastic de 6 inchi (DN150) pentru izolarea apei. Producătorul supapei specifică un cuplu de rupere de 200 N·m , un cuplu de rulare de 110 N·m , și un cuplu final de 90 N·m la o presiune diferenţială de închidere de 10 bar. Alimentarea pneumatică disponibilă este 5,5 bari . Supapa trebuie să nu se închidă la pierderea aerului.

1. Ieșire minimă necesară = 200 N·m × 1,25 = 250 N·m .
2. Închiderea eșuată înseamnă că este necesar un actuator cu retur cu arc, iar cuplul la capătul arcului trebuie să fie de cel puțin 250 N·m.
3. Un actuator candidat scotch-yoke cu retur cu arc furnizează: pornire cu aer 380 N·m, capăt cu aer 300 N·m, pornire cu arc 160 N·m, capăt cu arc 275 N·m, toate măsurate la o alimentare de 5,5 bar.
4. Verificarea în patru puncte este rezumată în tabelul de mai jos.

Acum verificați același actuator la o presiune de alimentare degradată de 4 bar. Ieșirea pneumatică scalează liniar cu presiunea: pornirea aerului devine 380 × 4 ÷ 5,5 = 276 N·m, iar capătul aerului devine 218 N·m. Valorile primăverii nu se modifică. Marja de deschidere se micșorează de la 180 N·m la 76 N·m, dar configurația încă trece. Acesta este modul corect de a utiliza o verificare a presiunii: verificați întotdeauna la sursa minimă pe care o puteți garanta, nu la presiunea nominală a instalației.

Dimensionarea actuatorului hidraulic pentru cuplu ridicat și sarcini în spațiu redus

Actuatoarele electrice și pneumatice atrag cea mai mare atenție în ghidurile de dimensionare generice, dar actuatoarele hidraulice oferă cea mai bună densitate de putere dintre cele trei tehnologii. Deoarece un sistem hidraulic funcționează de obicei la 70 până la 210 bari, în loc de 3 până la 8 bari pentru aerul din fabrică, un cilindru hidraulic compact poate produce cuplul care ar necesita un actuator pneumatic mult mai mare.

Etape de dimensionare pentru actuatoarele hidraulice

Două diferențe contează atunci când dimensionați un actuator hidraulic. În primul rând, puterea maximă este stabilită de setarea supapei de siguranță, nu de presiunea maximă nominală a pompei. În al doilea rând, cuplul actuatorului este calculat din aria efectivă a pistonului și presiunea diferențială peste piston în momentul funcționării. Lucrați înapoi: alegeți mai întâi setarea supapei de siguranță deoarece definește plafonul cuplului, apoi dimensionați calea de curgere pentru timpul de cursă necesar, apoi confirmați că pompa și motorul pot furniza debitul.

Componente care completează bucla hidraulică

Bucla de control este locul în care apar cele mai multe probleme de dimensionare hidraulică. Într-un pachet standard de supapă-actuator, a electrovalva hidraulica comută direcția fluxului pentru a extinde și a retrage actuatorul. A supapă de reglare a unității de putere ajustează debitul astfel încât timpul de cursă să rămână în limita procesului. A supapă de siguranță a unității de putere protejează scaunul supapei de vârfurile de cuplu prin limitarea presiunii maxime a sistemului.

Producători de supape de eliberare a unității de putere, fabrică de vânzare cu ridicata - Ningbo Panic Hydrauli Ningbo Panic Hydraulic Technology Co., Ltd este producători de supape de eliberare a unității de alimentare din China și o fabrică OEM/ODM, suntem specializați în en-gros... Vizualizare produs →

Producători de supape de reglare a unității de putere, fabrică de vânzare cu ridicata - Ningbo Panic Hydr Ningbo Panic Hydraulic Technology Co., Ltd este producători de supape de reglare a unității de alimentare din China și o fabrică OEM/ODM, suntem specializați în întregi... Vizualizare produs →

Producători de supape electromagnetice, fabrică de supape electromagnetice cu plug-in Ningbo Panic Hydraulic Technology Co., Ltd este producători de supape electromagnetice OEM/ODM din China și o fabrică de supape electromagnetice plug-in, suntem specializați... Vizualizare produs →

Secvența de dimensionare pentru un pachet de actuatoare hidraulice este simplă. Calculați cuplul necesar din fișa tehnică a supapei și din factorul de siguranță. Convertiți cuplul într-o presiune diferențială necesară folosind aria efectivă și brațul de moment al actuatorului. Setați supapa de siguranță la o valoare confortabil peste această presiune, de obicei cu 10% până la 20% mai mare, astfel încât actuatorul să poată dezvolta un cuplu complet fără ca supapa de siguranță să se ridice. Apoi dimensionați pompa și motorul astfel încât debitul să fie suficient pentru a acționa supapa în timpul necesar. În cele din urmă, confirmați că supapa solenoidală are un coeficient de debit suficient de mare și lăsați supapa de reglare să regleze fin viteza de mișcare.

Toate acestea presupun că înțelegeți principiul de funcționare al unui sistem hidraulic , în special modul în care debitul pompei, răspunsul supapei și deplasarea actuatorului interacționează în timpul unei curse rapide. În practică, unitățile de putere hidraulice sunt relativ ușor de operat în comparație cu unitățile de putere mecanică , motiv pentru care acţionarea supapelor hidraulice este obişnuită la supapele de izolare cu diametru mare, porţile fermei de rezervoare şi echipamentele de ridicare grele.

Șapte greșeli de dimensionare care provoacă erori de câmp

Majoritatea defecțiunilor actuatorului nu sunt cauzate de un produs defect. Acestea sunt cauzate de un calcul incomplet la etapa de inginerie. Aceste șapte greșeli apar din nou și din nou în rapoartele de teren și în înregistrările de punere în funcțiune.

1. Dimensionarea din cuplul de rulare în loc de cuplul de rupere. Supapa pornește de obicei din repaus la presiune diferențială completă, astfel încât cuplul de rupere este valoarea care blochează un actuator subdimensionat.
2. Dimensionarea la presiunea nominală de alimentare. Sursele de aer și hidraulice ale instalației fluctuează. Dacă ieșirea actuatorului este calculată la 5,5 bari, dar minimul real este de 4 bari, marja de siguranță poate dispărea complet.
3. Adăugând de două ori factorul de siguranță. Dacă producătorul de supape include deja o marjă în cuplul de rupere publicat, un procent suplimentar de 25% poate împinge selecția cu una sau două dimensiuni prea mari.
4. Supradimensionare pentru a fi în siguranță. Un actuator foarte supradimensionat trântește supapa în scaun, îndoaie tijele și face controlul instabil. Marja este menită să acopere incertitudinea, nu să absoarbă o operațiune brută.
5. Verificarea numai a capătului cu arc al unui actuator cu retur cu arc. Cuplul la capătul aerului într-un design scotch-jug poate scădea cu 30% până la 50%, iar acel punct scăzut poate fi motivul pentru care supapa nu atinge niciodată oprirea deschisă.
6. Ignorarea interfeței de montare. Un calcul corect al cuplului este inutil dacă flanșa actuatorului nu se potrivește cu dimensiunile antrenării tijei supapei. Confirmați interfața înainte de a comanda, nu în timpul punerii în funcțiune.
7. Sari peste verificarea timpului de cursă. Un actuator cu mult cuplu poate fi încă prea lent pentru un proces de blocare de urgență. Verificați întotdeauna timpul complet de deplasare cu supapa pilot și linia de alimentare incluse.

Lista de verificare a mărimii pentru precomandă

Înainte de a finaliza o comandă de achiziție, parcurgeți această listă de verificare cu fișa de date a supapei și catalogul de actuatoare în față. Un răspuns negativ la orice articol înseamnă că dimensionarea nu este completă.

• Confirmați ruperea supapei, funcționarea și cuplul final la presiunea diferențială maximă și temperatura maximă de funcționare.
• Aplicați un factor de siguranță documentat de cel puțin 1,25 și precizați-l în specificație.
• Definiți poziția de siguranță și verificați atât capătul arcului, cât și cuplul de pornire a arcului pentru unitățile cu retur cu arc.
• Înregistrați presiunea de alimentare minimă garantată disponibilă la servomotor și dimensiunea utilizând această valoare.
• Verificați dimensiunea flanșei de montare ISO 5211 și dimensiunile acționării tijei.
• Verificați timpul complet de cursă în raport cu cerințele procesului, inclusiv pierderile de solenoid și de linie.
• Specificați toate accesoriile: poziționer, întrerupătoare de limită, supapă pilot solenoid, control manual și indicator local de poziție.
• Repetați verificarea cuplului o ultimă dată la starea minimă de alimentare înainte de a aproba comanda.

Dacă construiți o unitate de putere hidraulică pentru a conduce actuatorul, revizuiți ghidul nostru de cumpărător al unității hidraulice de curent alternativ înainte de a vă angaja la o dimensiune a pompei și a motorului. Cerința de cuplu de la actuator devine cerința de presiune și debit pe care trebuie să le furnizeze unitatea de putere.

Întrebări frecvente: Întrebări privind dimensionarea actuatorului de supapă pe care inginerii le pun cele mai multe

Care este regula factorului de siguranță de 25% în dimensionarea actuatorului?

Regula de 25% înseamnă că cuplul de ieșire al actuatorului trebuie să fie de cel puțin 1,25 ori cuplul maxim de rupere publicat al supapei. Acesta acoperă incertitudinea de măsurare, umplutura învechită și diferențele minore dintre supapa testată și supapa livrată. Tratează-l ca pe o podea, nu ca pe o țintă. Creșteți-l la 1,5 sau mai mult atunci când procesul este murdar, abraziv sau critic pentru siguranță.

De ce actuatoarele cu retur cu arc au nevoie de o verificare a cuplului în patru puncte?

Deoarece ieșirea cuplului se modifică în funcție de poziție. Cuplul aerului este cel mai mare la începutul cursei și cel mai mic atunci când arcul este complet comprimat; Cuplul arcului este invers. O singură valoare de catalog nu vă poate spune dacă supapa se va deschide complet, se va închide complet și va menține poziția pe toată cursa. Numai valorile de pornire a aerului, de capăt de aer, de pornire a arcului și de final de arc pot face acest lucru.

Supradimensionarea unui actuator este dăunătoare?

Da. O marjă de peste aproximativ de 2 ori cuplul de rupere necesar poate comprima scaunul dincolo de domeniul său de proiectare, poate îndoi tija în modele cu încărcare laterală, poate produce ciocan de ari în timpul închiderii rapide și poate face reglarea buclei de control foarte dificilă. Scopul este o marjă pozitivă dovedită, nu cel mai mare actuator din catalog.

Cum afectează presiunea de alimentare cuplul de ieșire al actuatorului?

Pentru actuatoarele pneumatice, cuplul de ieșire se scalează aproape liniar cu presiunea de alimentare. Un actuator care produce 380 N·m la 5,5 bari furnizează doar 276 N·m la 4 bari. Pentru actuatoarele hidraulice, cuplul este calculat cu presiunea diferențială peste piston, care este acoperită de setarea supapei de siguranță. Întotdeauna dimensionați la presiunea minimă pe care o poate suporta sistemul.

Ce date de cuplu ar trebui să solicit de la producătorul supapei?

Solicitați cuplul de rupere, cuplul de rulare și cuplul final la presiunea diferențială maximă și temperatura maximă, pentru ambele sensuri de curgere. Pentru supape liniare, solicitați sarcina scaunului, frecarea de umplere și zona dezechilibrată. De asemenea, întrebați dacă valorile publicate includ deja o marjă de siguranță, astfel încât să nu adăugați o a doua marjă deasupra.

Când ar trebui să aleg acţionarea hidraulică în defavoarea pneumatică sau electrică?

Alegeți acționarea hidraulică atunci când cuplul necesar este foarte mare, când spațiul de instalare este îngust, când aerul din instalație este nefiabil sau slab uscat sau când aveți nevoie de o forță constantă independentă de fluctuațiile alimentării cu aer. Sistemele hidraulice sunt, de asemenea, o potrivire puternică pentru supapele de izolare cu diametru mare, palanele și echipamentele mobile unde există deja o sursă de energie hidraulică.

Dimensiunea finală la pachet

Dimensionarea actuatorului supapei este o buclă de verificare, nu o singură căutare în tabel. Reluați-l ori de câte ori dimensiunea supapei, clasa de presiune, mediu de proces sau presiunea de alimentare se modifică. Documentați fiecare intrare - valoarea cuplului de rupere, factorul de siguranță, cuplul la capătul arcului și presiunea minimă de alimentare pe care o garantați de fapt - și păstrați acel fișier împreună cu fișa de date a supapei.

Servomotorul care trece toate cele patru verificări ale cuplului la alimentare minimă, îndeplinește timpul de cursă necesar, se potrivește flanșei de montare standard și lasă o marjă documentată este cel corect. Aceasta este întreaga treabă - făcută corect, previne cel mai scump mod de defecțiune din orice sistem de supapă: cel care apare numai după ce servomotorul este înșurubat și procesul rulează.