Ein pneumatisches Ventil funktioniert möglicherweise nur ein paar Mal pro Stunde und erfüllt trotzdem nicht die Schließzeit von zwei Sekunden. Das ist kein Widerspruch. Der Kompressor verfügt möglicherweise über eine ausreichende Gesamtkapazität, während der Regler, das Magnetventil, die Schläuche oder der Abgasweg während der kurzen Bewegung nicht den erforderlichen Durchfluss liefern können.

In diesem Leitfaden wird der Antrieb als Teil eines integrierten Ventilpakets behandelt. Die Drehmomentanforderung des Ventils bestimmt die Größe des Stellantriebs. Die Größe des Aktuators bestimmt das Kammervolumen. Kammervolumen, Druck und Laufzeit bestimmen das Luftversorgungssystem. Wenn der Aktor noch nicht ausgewählt wurde, schließen Sie den Vorgang ab Drehmomentbemessung des Ventilantriebs zuerst und bestätigen Sie die mechanische Schnittstelle mit dem Montageanleitung für betätigte Ventile nach ISO 5211.

Drei Zahlen, die drei verschiedene Fragen beantworten

„Wie viel Luft benötigt dieser Aktuator?“ ist unvollständig, es sei denn, die erforderliche Ausgabe ist definiert. Eine praktische Berechnung sollte alle drei Werte unten angeben.

Eine Verwechslung dieser Werte führt zu vorhersehbaren Fehlern. Die Multiplikation der Luft pro Zyklus mit den Zyklen pro Minute ergibt einen durchschnittlichen Bedarf, dieser Durchschnitt beschreibt jedoch kein Öffnungsereignis von zwei Sekunden. Umgekehrt kann die Auswahl eines Kompressors anhand des Spitzendurchflusses jedes Ventils den Anlagenbedarf erheblich überbewerten, wenn sich die Ventile nicht gleichzeitig bewegen.

Definieren Sie die Berechnungsgrenze, bevor Sie eine Formel verwenden

Entscheiden Sie, was die Berechnung umfasst. Im Datenblatt des Aktuators darf nur der Innenkammerverbrauch angegeben sein. Das installierte Paket enthält außerdem Schläuche und Zubehörhohlräume, die unter Druck stehen und entlüftet werden. Eine Projektkalkulation sollte daher Folgendes erfassen:

• Antriebstyp: doppeltwirkend oder Federrückstellung;
• Aktormodell und Kammervolumen für jede angetriebene Richtung;
• minimaler und maximaler Druck, der am Einlass des Aktuators verfügbar ist;
• erforderliche Öffnungs- und Schließzeiten;
• normale, Spitzen- und Notfallzyklusfrequenz;
• Rohrinnendurchmesser und -länge;
• Magnetventil, Regler, Durchflussregelung, Schalldämpfer und Schnellentlüftungsanordnung;
• Lufttemperatur und die Normalvolumen-Referenzbedingungen des Projekts;
• Leckagezuschuss und etwaiger zukünftiger Betriebszuschuss, der für das Projekt erforderlich ist.

Zahnstangen- und Scotch-Yoke-Aktuatoren haben eine interne Geometrie, die durch eine einfache Berechnung des externen Zylinders nicht genau dargestellt wird. Die bevorzugte Eingabe erfolgt über die Luftmengentabelle des Herstellers. Wenn der Hersteller den „Luftverbrauch pro Zyklus“ bei einem angegebenen Druck angibt, bestätigen Sie, ob es sich bei diesem Wert um normalisierte freie Luft handelt und ob es sich um einen Hub oder einen vollständigen Öffnungs- und Schließzyklus handelt.

Schritt 1: Kammervolumen in normalisierte Luft umwandeln

Eine 2,8-l-Antriebskammer verbraucht nicht nur 2,8 normale Liter, wenn sie auf 6 barg gefüllt ist. Das Gas in der Kammer wird komprimiert. Für eine technische Schätzung basierend auf der Ideal-Gas-Beziehung:

V_N = V_Kammer × (S_{ABS, Versorgung} / P_{Bauchmuskeln, normal}) × (T_normal / T_Versorgung)

Wenn die Referenz- und die Vorlauftemperatur ähnlich sind, wird das Temperaturverhältnis oft mit etwa 1 angenommen:

V_N ≈ V_Kammer × (S_g + S_Geldautomat) / S_Geldautomat

Wo:

• V_N = normalisiertes oder freies Luftvolumen;
• V_Kammer = unter Druck stehendes Aktuatorkammervolumen;
• p_g = Versorgungsdruck;
• p_Geldautomat = lokaler Atmosphärendruck;
• P_Bauchmuskeln = absoluter Druck;
• T = absolute Temperatur in Kelvin.

Wenn nur Zylinderabmessungen verfügbar sind

Für einen herkömmlichen Linearkolbenzylinder lässt sich das geometrische Volumen aus Bohrung, Stangendurchmesser und Hub abschätzen:

Volumen am Kappenende = πD²s / 4

Stangenendevolumen = π(D² − d²)s / 4

Hier, D ist Kolbenbohrung, d ist Stabdurchmesser und s ist Schlaganfall. Fügen Sie das Endspielvolumen hinzu, falls bekannt. Wenden Sie diese Gleichungen nicht auf einen Zahnstangen- oder Scotch-Yoke-Antrieb mit Vierteldrehung an, es sei denn, der Hersteller gibt ausdrücklich die für dieses Modell erforderlichen Innenabmessungen an.

Schritt 2: Zählen Sie die Kraftschläge richtig

Doppeltwirkender Aktuator

Ein doppeltwirkender Antrieb nutzt Druckluft zum Öffnen und Schließen. Wenn sich die beiden Kammervolumina unterscheiden, berechnen Sie diese separat:

V_N,Zyklus = V_N,offen + V_{N, nah}

Ein Zyklus bedeutet ein vollständiges Öffnen und ein vollständiges Schließen. In einigen Katalogen ist mit „Operation“ ein einzelner Strich gemeint, daher muss die Datenblattdefinition überprüft werden.

Federrückstellantrieb

Ein Federrücklaufantrieb verwendet normalerweise Druckluft nur in eine Richtung; Die gespeicherte Federenergie steuert die Ausfallrichtung. Der Druckluftverbrauch pro Zyklus basiert daher auf der angetriebenen Kammerfüllung zuzüglich angeschlossenem Zubehör und Schlauchvolumen. Dies bedeutet nicht, dass der Aktuator automatisch kleiner oder effizienter ist: Die pneumatische Seite muss auch die Federlast überwinden, was häufig zu einer Vergrößerung der Aktuatorgröße führt.

Die Betriebswahl sollte sich an der erforderlichen Fehlerposition und Sicherheitsphilosophie orientieren, nicht nur am Luftverbrauch. Zu den funktionalen Unterschieden siehe einfachwirkende versus doppeltwirkende Antriebe.

Arbeitsbeispiel: Ein Zyklus verbraucht 34,6 NL, aber das Öffnen erfordert 582 NL/min

Erwägen Sie einen doppeltwirkenden Schwenkantrieb mit den folgenden Herstellerdaten und Serviceanforderungen:

• Öffnungskammervolumen: 2,8 l;
• Schließkammervolumen: 2,2 L;
• Versorgungsdruck am Antrieb: 6 barg;
• Atmosphärendruck: 1,013 bar;
• normale Betriebsgeschwindigkeit: 12 vollständige Zyklen pro Stunde;
• erforderliche Öffnungszeit: 2 Sekunden;
• erforderliche Schließzeit: 2 Sekunden;
• Bei dieser vorläufigen Schätzung wurde auf eine Temperaturkorrektur verzichtet, da davon ausgegangen wird, dass Referenz- und Vorlauftemperatur ähnlich sind.

1. Berechnen Sie das Druckverhältnis

Druckverhältnis = (6 + 1,013) / 1,013 = 6,92

2. Berechnen Sie die normalisierte Luft pro Hub

Öffnungsluft = 2,8 × 6,92 = 19,4 NL

Schließluft = 2,2 × 6,92 = 15,2 NL

3. Berechnen Sie die Luft pro vollständigem Zyklus

Luft pro Zyklus = 19,4 + 15,2 = 34,6 NL/Zyklus

4. Berechnen Sie den durchschnittlichen Anlagenbedarf

Durchschnittlicher Bedarf = 34,6 × 12 = 415 NL/h = 6,9 NL/min

5. Berechnen Sie den bei jedem Hub erforderlichen Durchfluss

Öffnungsfluss = (19,4 / 2) × 60 = 582 NL/min

Schließstrom = (15,2 / 2) × 60 = 456 NL/min

Der Kompressor sieht nur 6,9 NL/min als langfristigen Durchschnitt für dieses Ventil, aber der öffnende Luftpfad muss während der Bewegung etwa 582 NL/min liefern, bevor zusätzliche Toleranz und Druckverluste berücksichtigt werden. Aus diesem Grund wäre die Wahl des Magnetventils ab 6,9 NL/min ein schwerwiegender Fehler.

Hierbei handelt es sich um idealisierte Berechnungsergebnisse, nicht um endgültige Komponentenbewertungen. Das Totvolumen des Schlauchs, die Ventildurchflusskurven, der Druckabfall, die Lufttemperatur, die Leckage und die vom Projekt genehmigten Auslegungstoleranzen müssen weiterhin berücksichtigt werden.

Der Druck koppelt den Luftverbrauch an das Ventildrehmoment

Eine Erhöhung des Aktuatorversorgungsdrucks erhöht normalerweise das Aktuatordrehmoment, erhöht aber auch die für jede Kammerfüllung verwendete normalisierte Luft. Der nutzbare Druck ist der verfügbare Druck am Antrieb, während dieser sich bewegt, nicht der am Kompressor oder Wandregler angezeigte No-Flow-Druck.

Überprüfen Sie zwei Enden des Druckbereichs:

• Mindeststaudruck: Der Aktuator muss nach Verlusten an Regler, Magnetspule, Anschlüssen und Schläuchen ein ausreichendes Drehmoment erzeugen.
• Maximal möglicher Druck: Ventilschaft, Kupplung, Halterung und Getriebe dürfen nicht überlastet werden, wenn der Regler hoch eingestellt ist oder ausfällt.

Das Ventilbruchdrehmoment kann das Betriebsdrehmoment übersteigen, insbesondere nach langen Stillstandszeiten, bei niedrigen Temperaturen, bei trockenen Medien oder bei vollem Differenzdruck. Ein Aktuator, der sich während eines unbelasteten Werkstatttests frei bewegt, kann im Betrieb dennoch blockieren. Daher müssen für die Dimensionierung des Drehmoments und des Luftstroms die gleichen Druckannahmen zugrunde gelegt werden.

Der Luftweg und nicht der Aktuatoranschluss bestimmt häufig die Zykluszeit

Der berechnete Hubfluss muss durch jede Verengung zwischen Kopf und Aktuator fließen – und durch den Auslasspfad der gegenüberliegenden Kammer. Überprüfen Sie die gesamte Kette:

Anlagenkopf → Absperrventil → Filter/Regler → Magnetventil → Armaturen → Schläuche → Geschwindigkeitsregelung → Aktuatoranschluss → Abluftanschluss oder Schalldämpfer

Magnetventil

Wählen Sie die Magnetkonfiguration für den Aktuator und die Fehleraktion – üblicherweise 5/2 für doppelt wirkend und 3/2 für Federrückstellung – und verwenden Sie dann die Durchflusskurve, Cv, Kv oder den standardisierten Durchflusswert des Herstellers bei den tatsächlichen Einlass- und Auslassbedingungen. Eine Nennanschlussgröße allein definiert nicht den nutzbaren Luftstrom.

Regler und Filter

Ein Regler kann den korrekten statischen Druck aufrechterhalten, bei einem schnellen Hub jedoch absinken. Überprüfen Sie die Durchflusskurve und stellen Sie sicher, dass das Filterelement für den Spitzenbedarf dimensioniert und gewartet ist. Bei der Diagnose einer langsamen Fahrt sollte der Druck stromaufwärts und stromabwärts während der Bewegung beobachtet werden.

Schläuche und Armaturen

Verwenden Sie den Rohrinnendurchmesser – nicht nur den Außendurchmesser – und berücksichtigen Sie Länge, Biegungen, T-Stücke, Steckverbindungsbohrungen und Abgasbeschränkungen. Lange Schläuche an einem Fernventil erhöhen sowohl das Volumen als auch den Druckabfall. Die Platzierung des Magnetventils in der Nähe des Aktuators kann den endgültigen Strömungsweg verkürzen, abhängig von elektrischen, Umwelt- und Wartungsanforderungen.

Geschwindigkeitskontrollen, Schalldämpfer und Auspuff

Dosier-Durchflussregler sind für eine stabile Bewegung nützlich, aber ein übermäßig geschlossener Regler führt zu einer langsamen oder ungleichmäßigen Bewegung. Verunreinigte Abgasschalldämpfer sind eine häufige versteckte Einschränkung. Ein Schnellentlüftungsventil oder ein Volumenverstärker können das Ansprechverhalten dort verbessern, wo die Steuerungsphilosophie dies zulässt. Sie sollten jedoch als Teil des Gesamtkreislaufs ausgewählt und getestet werden und nicht als generische Lösung hinzugefügt werden.

Überprüfung eines lokalen Luftreceivers auf Notbetrieb

Ein lokaler Empfänger kann erforderlich sein, wenn der Anlagenkopf den Spitzendurchfluss nicht unterstützen kann, wenn das Ventil entfernt ist oder wenn eine oder mehrere Bewegungen nach einem Verlust der Luftversorgung abgeschlossen werden müssen. Für eine vorläufige isotherme Screening-Berechnung:

V_Empfänger ≈ V_{N,erforderlich} × P_Geldautomat / (S_1,abs − P_2,abs)

Wo P₁ ist der anfängliche Empfängerdruck und P₂ ist der niedrigste zulässige Behälterdruck nach dem Betrieb. Beides muss ein absoluter Druck sein. Der minimale Enddruck muss nach Regler- und Strömungswegverlusten immer noch ein ausreichendes Antriebsdrehmoment liefern.

Unter Verwendung des Öffnungshubs von 19,4 NL im Beispiel ergibt ein 8-barg-Empfänger, der auf 5 barg fallen kann, Folgendes:

V_Empfänger ≈ 19,4 × 1,013 / [(8 + 1,013) − (5 + 1,013)] = 6,55 L

Dieses Ergebnis von 6,55 l ist ein idealer vorläufiger Wert für einen Krafthub. Leitungsvolumen, Leckage, Reglerverhalten, Temperaturänderung, Reserve, wiederholte Nothübe oder Code-Anforderungen werden nicht berücksichtigt. Wenden Sie die dokumentierten Projektvorgaben an, wählen Sie einen geeigneten Standardempfänger aus und lassen Sie das endgültige pneumatische System auf Druckbehälter- und Sicherheitsanforderungen überprüfen.

Luftqualität ist Teil der Zuverlässigkeit

Unzureichender Durchfluss ist nicht das einzige Problem der Luftversorgung. Wasser, Öl und Partikel können Dichtungen, Magnetventile, Stellungsregler und Abgaskomponenten beeinträchtigen. ISO 8573-1:2010 definiert Druckluft-Reinheitsklassen für Partikel, Wasser und Öl. Die erforderliche Klasse für ein Ventilpaket muss von den Antriebs- und Zubehörherstellern sowie der Projektspezifikation stammen; es sollte nicht allein aus dem Standardtitel abgeleitet werden.

Überprüfen Sie außerdem den zulässigen Taupunkt bei der niedrigsten Umgebungstemperatur. Kondensat, das in einem Außenmagnetventil oder einem Abluftweg gefriert, kann die erforderliche Sicherheitsbewegung verhindern, selbst wenn die Berechnung des Luftverbrauchs bei Raumtemperatur korrekt ist.

Symptome, die auf ein Strömungs- oder Luftvolumenproblem hinweisen

Wenn ein mechanisch ausgerichtetes Paket wiederholt klemmt oder sich ungleichmäßig bewegt, überprüfen Sie auch die Halterung, die Kupplung und die Wellenausrichtung. Die Konsequenzen werden in besprochen falsch ausgerichtete pneumatische Ventilantriebe.

Informationen zur Angabe im Größenblatt oder in der Angebotsanfrage

Eine sinnvolle Anfrage zur Luftversorgung eines Stellantriebs sollte genügend Informationen enthalten, damit das Ventil, der Stellantrieb und das Zubehör gemeinsam überprüft werden können:

• Ventiltyp, Größe, Druckklasse und Prozessmedium;
• maximaler Differenzdruck und erforderliches Ventildrehmoment oder -schub;
• Marke, Modell, Wirkungsweise und Federsatz des Stellantriebs, sofern zutreffend;
• Kammervolumen des Herstellers oder angegebener Luftverbrauch und Nennbedingungen;
• minimaler/normaler/maximaler Luftdruck am Ventilstandort;
• Öffnungs- und Schließzeit, einschließlich Toleranz;
• normale Zyklusrate, Spitzenzyklusrate und gleichzeitige Ventilbewegungen;
• Magnetfunktion, Spannung, Durchflussrate und Montagemethode;
• Rohrmaterial, Innendurchmesser, Länge und Anschlussanordnung;
• Umgebungsbereich, Gehäuse-/Gefahrenbereichsanforderung und spezifizierte Luftqualität;
• Ausfallposition und Anzahl der erforderlichen Bewegungen nach Verlust der Luftversorgung;
• Akzeptanzkriterien für Leckage, Laufzeit und Positionsrückmeldung.

Für Absperrklappenanwendungen ist die pneumatische Drosselklappenführung Bietet zusätzlichen Paketauswahlkontext. Verfügbare Ventilfamilien können auch unten eingesehen werden Kugelhähne, Absperrklappen und Steuerventile.

Überprüfen Sie das vollständige Ventilpaket

Der endgültige Beweis ist ein integrierter Test. Verwenden Sie den angegebenen Luftdruck und die endgültige Zubehöranordnung, dann:

1. Den statischen Druck vor der Bewegung aufzeichnen;
2. Mindestdruck am Stellantrieb während des Öffnens und Schließens aufzeichnen;
3. Messen Sie beide Hubzeiten über wiederholte Zyklen.
4. Bestätigung der Anzeige der offenen und geschlossenen Position;
5. Überprüfen Sie externe Leckagen an Rohren, Anschlüssen und Zubehöranschlüssen.
6. Bestätigen Sie die erforderliche Fehleraktion, indem Sie einen Strom- und/oder Luftverlust gemäß dem genehmigten Testverfahren simulieren.
7. Wenn ein Empfänger eingebaut ist, überprüfen Sie die erforderliche Anzahl von Bewegungen ab dem spezifizierten Mindestspeicherdruck.
8. Dokumentenreglereinstellung, Geschwindigkeitsreglerposition und Prüftemperatur.

Senden Sie für ein projektspezifisches Paket die Ventilleistung, den Differenzdruck, den verfügbaren Luftdruckbereich, die erforderliche Verfahrzeit, die Zyklusrate und die Fehlermaßnahme über das Kontaktseite. Mithilfe dieser Informationen können die Drehmomentprüfung und die Prüfung des pneumatischen Durchflusses als eine integrierte Auswahl durchgeführt werden.

Häufig gestellte Fragen

Technische Referenzen

• Luftverbrauchsrechner von Festo — Zu den Berechnungseingaben gehören Zylindertyp, Größe, Hub, Betriebsdruck und Zyklen.
• Dokumentation zum pneumatischen Stellantrieb Rotork RC200 — Für die Auswahl des Stellantriebs werden Herstellerdaten zum Luftverbrauch und zur Betriebszeit bereitgestellt.
• Beispiel eines Emerson ASCO-Magnetventils – veranschaulicht die Funktion des Wegeventils und die Cv/Kv-Durchflussdaten, die bei der Zubehörauswahl verwendet werden.
• Rotork YT-315 Lautstärkeverstärker — ein Beispiel für ein Zubehörteil, das die Reaktionszeit des Stellantriebs verkürzen soll, wenn der Kreislauf zusätzliche Durchflusskapazität erfordert.
• ISO 8573-1:2010 — Reinheitsklassen der Druckluft für Partikel, Wasser und Öl.