Analizarea factorilor de bază care influențează forța de ieșire și cuplul actuatoarelor pneumatice

În sistemele de control al automatizării industriale, actuatoarele pneumatice reprezintă centrul cheie pentru conectarea semnalelor de control și a acțiunii mecanice. Stabilitatea forței de ieșire (cursă liniară) sau a cuplului (cursă unghiulară) determină în mod direct fiabilitatea proceselor de bază, cum ar fi deschiderea și închiderea supapelor și antrenarea dispozitivului. De la supapa de oprire-de urgență a fabricii chimice până la controlul supapei fluture a conductei municipale, performanța de putere a actuatorului este indicele de bază pentru a asigura funcționarea în siguranță a sistemului. Analiza profundă a factorilor cheie care îi afectează forța de ieșire și cuplul este baza selecției și proiectării, precum și o condiție prealabilă pentru controlul precis și funcționarea-pe termen lung a echipamentului.

I. Parametrii sursei de alimentare de bază: Rolul decisiv al presiunii aerului și al debitului

Actuatoarele pneumatice folosesc aer comprimat ca sursa de energie. Esența puterii sale de ieșire este transformarea energiei presiunii aerului în energie mecanică. Prin urmare, parametrii de bază ai sursei de gaz determină direct nivelul de bază al puterii de ieșire.

Presiunea de funcționare este principalul factor care afectează puterea de ieșire și cuplul. Conform principiilor de bază ale hidrodinamicii, forța teoretică de ieșire a unui actuator urmează formula F=P×A (F pentru forța de ieșire, P pentru presiunea de lucru, A pentru aplicarea presiunii). Pe această bază, cuplul este calculat combinând lungimea brațului pârghiei: cuplu=Presiunea aerului × Suprafața efectivă a pistonului × Lungimea brațului pârghiei × Eficiența mecanică. Când zona de aplicare este fixată eficient, forța de ieșire și cuplul cresc liniar cu presiunea de lucru. De exemplu, un anumit tip de actuator produce aproximativ 200 N·m de cuplu la o presiune a aerului de 0,6 MPa. Când presiunea aerului crește la 0,8 MPa, cuplul poate crește cu mai mult de 30%. Trebuie remarcat, totuși, că creșterea presiunii este limitată de rezistența cilindrului și de performanța de etanșare; depășirea limitei de proiectare poate duce la deteriorarea componentelor.

Deși fluxul de aer nu determină în mod direct puterea maximă de ieșire, el influențează caracteristicile dinamice ale puterii de ieșire. Debitul insuficient va încetini viteza de încărcare a cilindrului, nu numai că va prelungi timpul de răspuns, dar poate duce și la un cuplu de ieșire real scăzut în acțiunea de-frecvență înaltă din cauza presiunii insuficiente. În practica industrială, este adesea necesar să se potrivească volumul cilindrului al actuatorului cu filtre, supape de siguranță și regulatoare de debit pentru a asigura o alimentare stabilă a debitului în intervalul de presiune utilizat în mod obișnuit de 0,2-0,8 MPa.

ii. Esența proiectării structurale: zona de lucru și eficiența transmisiei mecanice

Designul structural al actuatorului determină în mod fundamental eficiența conversiei energiei presiunii în energie mecanică, care se reflectă în principal în două aspecte: zona de lucru sub presiune și mecanismul de transmisie mecanică.

Zona de lucru cu presiune diferită duce direct la forță de ieșire diferită. Aceasta este diferența de performanță dintre actuatoarele cu diafragmă și actuatoarele cu piston: actuatoarele cu diafragmă folosesc diafragma din cauciuc ca senzor de presiune cu o suprafață efectivă în general mică și o putere de ieșire de până la 1000 N, potrivită numai pentru aplicații ușoare, cum ar fi supapele de reglare mici; Actuatoarele cu piston cu diafragmă utilizează piston metalic împreună cu cilindri și pot fi proiectate cu actuatoare cu diafragmă mari eficiente cu o forță de ieșire de zeci de mii pentru a satisface nevoile supapelor cu diametru mare sau mai mult. Într-un dispozitiv de acționare rotativ, actuatoarele cu cremalieră și pinion folosesc pistoane pentru a antrena cremaliera, care, la rândul său, rotește angrenajul. Pe de altă parte, actuatoarele cu palete se bazează pe aer comprimat pentru a antrena direct paletele. Primul poate obține mii de Nm de cuplu de ieșire la avantajele de proiectare ale designului brațului de pârghie, în timp ce actuatorul paletei este limitat de zona paletei, iar cuplul nu depășește, în general, 500 N·m.

Precizia și uzura mecanismului de transmisie mecanică afectează direct eficiența. Eficiența ideală a transmisiei este de 100%, dar în practică, jocul de angrenare a angrenajului, precizia de ghidare a tijei pistonului și coaxialitatea componentelor de conectare cauzează toate pierderile de energie. De exemplu, dacă abaterea de coaxialitate între actuator și conexiunea supapei depășește 0,1 mm, eficiența transmisiei cuplului va fi redusă cu 15%-20%. Utilizarea pe termen lung, uzura angrenajului și îmbătrânirea rulmenților vor lărgi și mai mult jocul transmisiei, rezultând o scădere constantă a cuplului de ieșire sub aceeași presiune de intrare. Aici trebuie să se concentreze întreținerea regulată.

Mecanismul mecanismului de întoarcere este un factor structural special pentru actuatoarele cu acțiune simplă-. Presarcina și rigiditatea arcului vor compensa parțial presiunea aerului; la calcularea cuplului real de ieșire, forța de reacție a arcului trebuie dedusă. De exemplu, un actuator cu o singură acțiune-cu o rigiditate a arcului de 50 N/mm produce o forță de reacție de 100 N la o cursă de compresie de 20 mm, reducând foarte mult forța efectivă de ieșire. Modulul elastic al materialului arcului va fi, de asemenea, afectat de variația temperaturii. De exemplu, modulul elastic de 60 Si2Mn scade cu aproximativ 8% atunci când temperatura depășește 120 de grade, așa că o marjă de cuplu trebuie inclusă în selecție.

III. Variabile de mediu și condiții de funcționare: de la caracteristici medii până la starea de funcționare

Condițiile de mediu și volumul de muncă într-un mediu industrial sunt variabile cheie care contribuie la fluctuațiile puterii de ieșire. În calculul static, influența lor este adesea ignorată, dar determină direct performanța reală.

Temperatura și caracteristicile dielectrice afectează în principal performanța de etanșare și performanța componentelor. La temperaturi scăzute, creșterea vâscozității crescute a grăsimii crește cuplul de frecare cu 10%-30%. În proiectul conductei de gaz natural din Arctic, grăsimea s-a solidificat la -40 de grade , determinând încetinirea servomotorului; a fost înlocuită cu o unsoare la temperatură scăzută pe bază de fluoroeter și a revenit la funcționarea normală. Temperaturile ridicate pot accelera îmbătrânirea garniturii. După gradul CC, performanța de etanșare a garniturilor din cauciuc nitril poate scădea brusc, provocând scurgeri interne. Când scurgerea depășește 5% din volumul cilindrului pe minut, cuplul de ieșire scade cu mai mult de 20%. În mediul corosiv, cum ar fi acidul și alcaliul, coroziunea peretelui interior al cilindrului și a tijei pistonului va crește rezistența la frecare, va reduce fiabilitatea etanșării și va crește pierderea forței de ieșire.

Gradul de potrivire a caracteristicilor de sarcină și condițiilor de lucru este foarte important. Forța de ieșire a actuatorului trebuie să depășească rezistența maximă a sarcinii. Selectarea ar trebui să urmeze „Principiul factorului de siguranță „--conform ISO 5211, cuplul actuatorului ar trebui să fie de 1,5 ori mai mare decât cuplul maxim de operare al supapei. Echipamentele critice, cum ar fi supapele de oprire-de urgență, necesită marje mai mari. Diferite supape au sarcini diferite, caracteristicile de etanșare a bilei și presiunea ridicată a supapelor: același diametru și presiune necesită, de obicei, un cuplu mai mare decât supapele tip fluture; cuplul de frecare pentru supapele cu etanșare tare este mult mai mare decât pentru supapele cu etanșare moale și necesită calcule speciale atunci când sunt selectate, cum ar fi șocurile dielectrice în timpul deschiderii și închiderii supapei, produc, de asemenea, sarcini de vârf.

IV. INTRODUCERE Întreținere și ciclu de viață: impactul incremental al Degradării Performanței

Performanța de ieșire a actuatoarelor pneumatice nu este constantă. Pe măsură ce timpul de utilizare crește, uzura și vârsta componentelor conduc la o deteriorare treptată a performanței. Calitatea întreținerii de rutină determină în mod direct durata stabilității performanței.

Arcul și materialul de etanșare sunt componentele cel mai probabil să afecteze puterea de ieșire. Compresia-arcurilor pe termen lung poate provoca deformarea prin oboseală. Când deformarea reziduală depășește 3% din lungimea inițială, forța de resetare este redusă semnificativ, ceea ce nu numai că afectează fiabilitatea actuatoarelor cu acțiune simplă-, dar poate avea ca rezultat, de asemenea, ca supapa să nu fie complet închisă. Într-o linie de producție de anilină a unei fabrici chimice, ruptura de oboseală a arcului a cauzat închiderea bruscă a supapei, ceea ce a dus la o creștere a presiunii sistemului, pierderi economice de peste 1 milion de dolari. Uzura sigiliului poate duce la scurgeri interne și poate reduce presiunea efectivă în cilindru. Această scurgere poate fi dificil de detectat la început, dar va continua să conducă la o scădere a cuplului de ieșire, ceea ce face ca sistemul să funcționeze o problemă.

Întreținerea regulată poate încetini efectiv degradarea performanței. Experiența din industrie arată că verificarea lungimii libere a arcului, a integrității etanșării și a lubrifierii după fiecare 2000 de rulări poate menține rata de degradare a performanței actuatorului la mai puțin de 5% pe an. Întreținerea include înlocuirea etanșărilor îmbătrânite, adăugarea de grăsime specială, calibrarea coaxialității supapelor și actuatoarelor și îndepărtarea impurităților din cilindri. Valoarea cuplului de ieșire trebuie verificată în mod regulat pentru actuatoarele care funcționează la sarcini mari. Când cuplul măsurat este mai mic de 80% din valoarea nominală, defecțiunea trebuie investigată prompt.

Concluzie: Factori multipli cooperează pentru controlul precis.

Puterea de ieșire și cuplul unui actuator pneumatic sunt rezultatul mai multor factori, cum ar fi parametrii presiunii aerului, designul structural, condițiile de mediu și calitatea întreținerii. De la calcularea presiunii și a ariei de acțiune pe baza cerințelor de sarcină în etapa de selecție, până la asigurarea calității aerului și adaptabilitatea mediului în timpul funcționării, până la încetinirea degradării performanței prin întreținere programată, fiecare pas afectează direct efectul puterii de ieșire. În practica industrială, este necesar să stăpânim logica de calcul de bază a „cuplului=presiunea aerului * zonă * braț de pârghie * eficiență” și să acordăm atenție factorilor impliciti de influență precum temperatura, frecarea, uzura. Actuatoarele pneumatice pot menține o putere de ieșire stabilă și fiabilă și pot pune o bază solidă pentru funcționarea sistemelor de automatizare industrială.