Принципы работы и настройка пневмопроводов для трубопроводной арматуры
Пневмоприводы управляют клапаном , осуществляя вращающий момент или линейное смещение, посредством применения сжатого воздуха в поршне, мембране или лопасти.
Линейные исполнительные механизмы осуществляют линейное смещение непосредственно из поршня или мембраны, в то время как неполноповоротные приводы или приводы вращательного действия обращают смещение в крутящий момент посредством таких механизмов, как треугольный шатун, реечный домкрат или лопасть.
При наличии сжатого воздуха вместо электро-приводов можно использовать пневмоприводы, так как они работают быстрее и стоят обычно меньше (притом, что сохраняют работоспособность при отказе отдельных элементов системы). Также пневмоприводы, как правило, более компактны (при установке на малогабаритных клапанах) и их можно легко адаптировать для работы в опасных зонах.
При данной конструкции исполнительного механизма, давление, оказываемое на поршень, мембрану или лопасть, определяет выходное смещение или крутящий момент. Скорость работы исполнительного механизма определяет объем имеющегося воздуха и его расход на входе и выходе из привода. Разгрузочный клапан может включать дополнительные механизмы, или так называемые ограничители скорости, увеличивающие или уменьшающие периоды цикла. Размер внутренней распределительной системы исполнительного механизма также определяет его скорость. Величина выходного крутящего момента клапана вращательного действия непостоянна.
Конструкция исполнительного механизма очень важна, так как крутящий момент уравновешивает приложенную силу, увеличивающуюся по мере удаления от оси поворота. У привода реечной передачи или привода лопастного типа величина удаленности от оси поворота в течение всего хода не меняется, поэтому и величина крутящего момента остается неизменной. У конструкции исполнительного механизма с треугольным шатуном величина удаленности от оси поворота меняется в течение всего хода, что влияет на величину крутящего момента. Поскольку величина требуемого момента большинства клапанов непостоянна в течение всего хода, необходимо предпринять попытку максимально сравнять рабочие характеристики клапана и исполнительного механизма.
Поршневые и лопастные устройства при работе могут использовать воздух для обоих ходов (известных как «двойное действие») или воздух для одного хода и пружины для другого (так называемое «однократное действие» или «возврат под действием пружины»). Поршневые устройства, как правило, снабжены одной или более винтовыми рессорами, расположенными внутри корпуса главного исполнительного механизма.
Исполнительные механизмы лопастного типа снабжены тактовой пружиной, расположенной в камере над и под приводом. Выходной крутящий момент исполнительного механизма определенных габаритов удалось увеличить посредством особых конструкций. Например, если два лопастных блока соединены друг с другом или если исполнительные механизмы неполноповоротного зубчатого типа, используются контрпоршни двойного или даже четырехкратного действия.
Мембранные исполнительные механизмы, как правило, снабжены пружинами для обеспечения смещения на обратном ходу. Когда сжатый воздух выпускается из привода, пружины автоматически начинают двигать клапан в противоположном на- правлении (заранее определенное «безопасное» положение). Эффективная площадь мембраны довольно обширна, а характеристика линейна. Мембрана действует в диапазоне низкого давления и используется для реагирования на сигнал управления от 3 15 фунтов на квадратный дюйм без использования позиционера. У плоской мембраны ограниченная длина хода. Формованные или обкатывающие мембраны подразумевают длинный ход и созданы для использования в эффективной площади. Блок называется прямодействующим, когда пружины располагаются под мембраной.
Блок обратного действия подразумевает, что пружины располагаются над мембраной. Функция, заложенная в конструкции клапана с приводом обратного действия, позволяет крану при отказе либо открываться, либо закрываться. В случае, если пружинный механизм делает привод слишком громоздким и тяжелым, устанавливается аккумуляторный бак для перераспределения давления воздуха. Исполнительный механизм двойного действия снабжен устройством пневмозащиты. Процесс заполнения и вентилирования исполнительных механизмов, как правило, регулируется клапанами с электромагнитным управлением, подходящими к любому приводу или панели дистанционного управления.
Одним из преимуществ пневмоприводов является то, что пружины можно использовать для возвращения клапана в заранее заданное «безопасное» положение на случай прекращения подачи воздуха и поступления сигнала или отказа электромагнита.
Тем не менее, важно знать, что так называемое безопасное положение может быть крайним установленным положением. В этом случае исполнительные механизмы двойного действия должны использоваться с электромагнитным клапаном, снабженным функцией «стабилизации». Исполнительный механизм однократного действия или привод с функцией возврата под действием пружины должен быть больших габаритов, чем исполнительный механизм двойного действия. Это необходимо ввиду того, что давление воздуха не только участвует в работе клапана, но и одновременно сжимает пружины.
Крутящий момент или смещение, также участвуют в работе клапана и меняется в течение всего хода, потому что, чем больше сжимается пружина, тем большая сила требуется, чтобы удерживать ее в зафиксированном положении. А это значит, что величина крутящего момента или смещения при начальной подаче воздуха и начальном ходе пружины будет больше, чем при конечных показателях.
Устанавливая габариты исполнительного механизма однократного действия (или привода с функцией возврата под действием пружины), важно, чтобы технические условия работы определенного клапана соответствовали установлен- ному комплексу рабочих условий. Необходимо установить и регулировать возникающее в при- воде давление воздуха. Например, давление в компрессоре может достигать 5 бар, в то время как в исполнительном механизме оно может снижаться до 4 бар. Если габариты исполнительного механизма двойного действия установлены, исходя из давления в 5 бар, то клапан сможет работать с недостаточным моментом или смещением при давлении в 4 бара.
другим последствием сниженного или колеблющегося давления воздуха может быть неправильный ход приводов с функцией возврата под действием пружины. Если давление недостаточное для того, чтобы зафиксировать пружины в сжатом положении на одном конце хода, то исполнительный механизм начинает «смещаться», и в работе клапана могут возникнуть разные сбои. В многофункциональных исполнительных механизмах можно сократить количество пружин, чтобы они были сжаты при низком давлении, при этом суммарный крутящий момент будет низким, Типичная таблица величин крутящего момента привода показывает выходные крутящие моменты при разных положениях и рабочих давлениях.
у вращательных исполнительных механизмов однократного действия крутящий момент меняется в зависимости от степени сжатия пружины, поэтому для каждого из четырех положений существуют свои показатели крутящего момента. Если ход клапана начинается с подачи воздуха в пневмопривод, то прекращается ход с выпуском воздуха. Если же ход клапана начинается с движения пружины рессорного привода, то и прекращается он также движением пружины. Величина требуемого момента или смещения клапана определяется рядом факторов:
. рабочая частота (некоторые клапаны склонны залипать>, если на какое то время их заклинивает в одном положении, что увеличивает величину требуемого момента);
. вид эксплуатации (влажная рабочая среда способствует уменьшению величины требуемого момента клапана, в то время как сухая рабочая среда увеличивает эту величину);
. температура (влияет на прочность уплотнений седла, которые, в свою очередь, влияют на величину требуемого крутящего момента клапана);
. воздействия химических веществ на седла клапана (распухание уплотнений седел может привести к сбоям в работе клапана, тем самым увеличив величину крутящего момента);
. обработка уплотнительной поверхности (разные коэффициенты трения повышают разные величины требуемого момента);
. крутящий момент или трение штока (гайка штока, по большей части, осуществляет герметизирующую функцию, прижимая уплотнение к штоку); . давление (падение давления клапана непосредственно оказывает на него нагрузку, повышая тем самым крутящий момент или смещение, необходимые для движения клапана);
. динамические воздействия, вызванные скоростью потока через полузакрытый клапан (динамический крутящий момент может быть положительным или отрицательным на разных этапах цикла).
для производителя арматуры определение общего фактора безопасности важнее опреде- ления величины, используемой при настройке исполнительного механизма. Суммарную вели- чину требуемого момента или смещения клапана можно противопоставить величине выходного момента или смещения исполнительного механизма. Очень важно, чтобы величина крутящего момента или смещения не превышала величины механической прочности штока задвижки или клапана.
Максимальная величина крутящего момента клапана, как правило, возникает при <прорыве, который обычно имеет место во время начала движения клапана от замкнутого положения. Когда через клапан начинается движение потока рабочей среды, величина крутящего момента достигает своей самой низкой отметки, получив при этом название крутящего момента при установившемся режиме работы». Также следует изучить принцип, по которому требуемый момент клапана распределяется по разомкнутому (замкнутому) циклу в связи с экономией, которую можно достичь, максимально сравняв рабочие характеристики крутящего момента клапана и исполнительного механизма.
у шаровых и пробковых кранов почти идентичные рабочие характеристики. Единственную разницу составляет небольшое повышение величины крутящего момента у шарового крана при полностью открытом положении, вызванное увеличением площади поверхности шарика, соприкасающейся с седлами. У поворотно дискового затвора рабочая характеристика совсем другая здесь может иметь место негативная величина требуемого момента в период закрытия затвора.
Любой используемый при этом исполнительный механизм должен иметь минимальное количество холостого хода для регулирования работы клапана и для предотвращения образования динамических нагрузок на данном этапе работы клапана. Поэтому при определении габаритов пневмопривода необходимо располагать информацией о рабочих характеристиках крутящего момента или смещениях как клапана, так и исполнительного механизма на всех этапах рабочего цикла.
Тем не менее, если это невозможно, то практической альтернативой может служить подгонка максимальной величины крутящего момента или смещения клапана (включая фактор безопасности) к минимальной величине крутящего момента или смещения исполнительного механизма (проверяя, не превышены ли пределы прочности штока).