Una válvula neumática puede funcionar sólo unas pocas veces por hora y aun así no cumplir con el requisito de cierre de dos segundos. Eso no es una contradicción. El compresor puede tener suficiente capacidad total, mientras que el regulador, el solenoide, la tubería o la ruta de escape no pueden entregar el flujo requerido durante el movimiento corto.

Esta guía trata el actuador como parte de un paquete de válvula integrado. El requisito de torque de la válvula determina el tamaño del actuador; el tamaño del actuador determina el volumen de la cámara; y el volumen de la cámara, la presión y el tiempo de viaje determinan el sistema de suministro de aire. Si aún no se ha seleccionado el actuador, complete el dimensionamiento del par del actuador de la válvula primero y confirme la interfaz mecánica utilizando el Guía de montaje de válvula accionada ISO 5211.

Tres números que responden a tres preguntas diferentes

"¿Cuánto aire necesita este actuador?" está incompleto a menos que se defina la salida requerida. Un cálculo práctico debería informar los tres valores siguientes.

Confundir estos valores provoca errores predecibles. Multiplicar el aire por ciclo por ciclos por minuto da una demanda promedio, pero ese promedio no describe un evento de apertura de dos segundos. Por el contrario, seleccionar un compresor del flujo máximo de cada válvula puede exagerar enormemente la demanda de la planta cuando las válvulas no se mueven simultáneamente.

Definir el límite de cálculo antes de usar una fórmula

Decide qué incluye el cálculo. La hoja de datos del actuador puede indicar únicamente el consumo interno de la cámara. El paquete instalado también contiene tuberías y cavidades para accesorios que están presurizadas y agotadas. Por lo tanto, un cálculo de proyecto debería registrar:

• tipo de actuador: doble efecto o retorno por resorte;
• modelo de actuador y volumen de cámara para cada dirección accionada;
• presión mínima y máxima disponible en la entrada del actuador;
• horarios de apertura y cierre requeridos;
• frecuencia de ciclo normal, pico y de emergencia;
• diámetro interno y longitud del tubo;
• solenoide, regulador, control de flujo, silenciador y sistema de escape rápido;
• temperatura del aire y condiciones de referencia de volumen normal del proyecto;
• asignación por fugas y cualquier asignación operativa futura requerida por el proyecto.

Los actuadores de piñón y cremallera y de yugo escocés tienen una geometría interna que no se representa con precisión mediante un simple cálculo de cilindro externo. La tabla de volumen de aire del fabricante es la entrada preferida. Si el fabricante proporciona "consumo de aire por ciclo" a una presión establecida, confirme si ese valor es aire libre normalizado y si representa una carrera o un ciclo completo de apertura y cierre.

Paso 1: convertir el volumen de la cámara en aire normalizado

Una cámara de actuador de 2,8 L no consume sólo 2,8 litros normales cuando se llena a 6 barg. El gas dentro de la cámara se comprime. Para una estimación de ingeniería basada en la relación del gas ideal:

V_N =v_cámara × (P_{abdominales, suministro} /P_{abdominales, normales}) × (T_normales /T_suministro)

Si las temperaturas de referencia y de suministro son similares, la relación de temperatura suele tratarse como aproximadamente 1:

V_N ≈V_cámara × (pag._g +p_{cajero automático}) /p_{cajero automático}

donde:

• V_N = volumen de aire normalizado o libre;
• V_cámara = volumen de la cámara del actuador presurizado;
• p_g = presión manométrica de suministro;
• p_{cajero automático} = presión atmosférica local;
• P_abdominales = presión absoluta;
• T = temperatura absoluta en kelvin.

Si solo están disponibles las dimensiones del cilindro

Para un cilindro de pistón lineal convencional, el volumen geométrico se puede estimar a partir del diámetro interior, el diámetro del vástago y la carrera:

Volumen del extremo de la tapa = πD²s / 4

Volumen del extremo de la varilla = π(D² − d²)s / 4

Aquí, D es el diámetro del pistón, d es el diámetro de la varilla y s es un derrame cerebral. Agregue el volumen de liquidación final si se conoce. No aplique estas ecuaciones a un actuador de piñón y cremallera o de yugo escocés de un cuarto de vuelta a menos que el fabricante proporcione específicamente las dimensiones internas necesarias para ese modelo.

Paso 2: Cuente correctamente los golpes motorizados

Actuador de doble acción

Un actuador de doble acción utiliza aire comprimido para abrir y cerrar. Si los volúmenes de las dos cámaras difieren, calcúlelos por separado:

V_{N, ciclo} =v_{norte, abierto} +v_N,cerrar

Un ciclo significa una apertura completa y un cierre completo. Algunos catálogos utilizan "operación" para referirse a un solo trazo, por lo que se debe verificar la definición de la hoja de datos.

Actuador de retorno por resorte

Un actuador de retorno por resorte normalmente utiliza aire comprimido en una sola dirección; La energía del resorte almacenada impulsa la dirección del fallo. Por lo tanto, su consumo de aire comprimido por ciclo se basa en el llenado motorizado de la cámara, más el volumen de accesorios y tubos conectados. Esto no significa que el actuador sea automáticamente más pequeño o más eficiente: el lado neumático también debe superar la carga del resorte, que a menudo aumenta el tamaño del actuador.

La elección de operación debe seguir la posición de falla requerida y la filosofía de seguridad, no solo el consumo de aire. Para conocer las diferencias funcionales, consulte Actuadores de simple efecto versus de doble efecto.

Ejemplo resuelto: un ciclo utiliza 34,6 NL, pero la apertura necesita 582 NL/min

Considere un actuador de cuarto de vuelta de doble efecto con los siguientes datos del fabricante y requisitos de servicio:

• volumen de la cámara de apertura: 2,8 L;
• volumen de la cámara de cierre: 2,2 L;
• presión de alimentación en el actuador: 6 barg;
• presión atmosférica: 1,013 bares;
• tasa de funcionamiento normal: 12 ciclos completos por hora;
• tiempo de apertura requerido: 2 segundos;
• tiempo de cierre requerido: 2 segundos;
• Se omitió la corrección de temperatura en esta estimación preliminar porque se supone que las temperaturas de referencia y de suministro son similares.

1. Calcule la relación de presión

Relación de presión = (6 + 1,013) / 1,013 = 6,92

2. Calcule el aire normalizado por carrera

Aire de apertura = 2,8 × 6,92 = 19,4 NL

Aire de cierre = 2,2 × 6,92 = 15,2 NL

3. Calcule el aire por ciclo completo

Aire por ciclo = 19,4 + 15,2 = 34,6 NL/ciclo

4. Calcule la demanda promedio de la planta

Demanda media = 34,6 × 12 = 415 NL/h = 6,9 NL/min

5. Calcule el flujo requerido durante cada carrera

Flujo de apertura = (19,4 / 2) × 60 = 582 NL/min

Caudal de cierre = (15,2 / 2) × 60 = 456 NL/min

El compresor considera solo 6,9 NL/min como promedio a largo plazo para esta válvula, pero la ruta de aire de apertura debe entregar aproximadamente 582 NL/min durante el movimiento antes de que se consideren tolerancias adicionales y pérdidas de presión. Por este motivo, seleccionar el solenoide a partir de 6,9 NL/min sería un grave error.

Estos son resultados de cálculo idealizados, no calificaciones finales de componentes. Aún se deben considerar el volumen muerto de la tubería, las curvas de flujo de la válvula, la caída de presión, la temperatura del aire, las fugas y los márgenes de diseño aprobados por el proyecto.

La presión acopla el consumo de aire al par de la válvula

El aumento de la presión de suministro del actuador normalmente aumenta el par del actuador, pero también aumenta el aire normalizado utilizado para cada llenado de la cámara. La presión utilizable es la presión disponible. en el actuador mientras está en movimiento, no la presión sin flujo que se muestra en el compresor o el regulador de pared.

Verifique dos extremos del rango de presión:

• Presión dinámica mínima: el actuador debe producir suficiente torque después de las pérdidas del regulador, el solenoide, los accesorios y las tuberías.
• Presión máxima posible: El vástago de la válvula, el acoplamiento, el soporte y la caja de cambios no deben sobrecargarse si el regulador está ajustado en alto o falla.

El par de rotura de la válvula puede exceder el par de funcionamiento, especialmente después de largos períodos estáticos, a baja temperatura, con medios secos o bajo presión diferencial total. Un actuador que se mueve libremente durante una prueba en taller sin carga aún puede detenerse en servicio. Por lo tanto, el dimensionamiento del par y el dimensionamiento del flujo de aire deben utilizar los mismos supuestos de presión.

La ruta del aire, no el puerto del actuador, a menudo establece el tiempo del ciclo

El flujo de carrera calculado debe pasar a través de todas las restricciones entre el cabezal y el actuador, y a través de la ruta de escape en la cámara opuesta. Revisa la cadena completa:

Cabezal de planta → válvula de aislamiento → filtro/regulador → válvula solenoide → accesorios → tubería → control de velocidad → puerto del actuador → accesorio de escape o silenciador

Válvula Solenoide

Seleccione la configuración del solenoide para el actuador y la acción de falla (comúnmente 5/2 para doble acción y 3/2 para retorno por resorte) luego use la curva de flujo del fabricante, Cv, Kv o el índice de flujo estandarizado en las condiciones reales de entrada y salida. El tamaño de puerto nominal por sí solo no define el flujo de aire utilizable.

Regulador y filtro

Un regulador puede mantener la presión estática correcta pero disminuir durante un movimiento rápido. Verifique su curva de flujo y asegúrese de que el elemento filtrante tenga el tamaño y el mantenimiento necesarios para la demanda máxima. Se debe observar la presión aguas arriba y aguas abajo durante el movimiento al diagnosticar un desplazamiento lento.

Tuberías y accesorios

Utilice el diámetro interno del tubo, no solo el diámetro exterior, e incluya la longitud, las curvas, las tes, los orificios de los accesorios a presión y las restricciones de escape. Los tubos largos en una válvula remota agregan volumen y aumentan la caída de presión. Colocar el solenoide cerca del actuador puede acortar la ruta del flujo final, sujeto a requisitos eléctricos, ambientales y de mantenimiento.

Controles de velocidad, silenciadores y escape.

Los controles de flujo de salida son útiles para un desplazamiento estable, pero un control excesivamente cerrado crea un movimiento lento o desigual. Los silenciadores de escape contaminados son una restricción oculta común. Una válvula de escape rápido o un amplificador de volumen pueden mejorar la respuesta cuando la filosofía de control lo permita, pero deben seleccionarse y probarse como parte del circuito completo en lugar de agregarse como una solución genérica.

Revisión de un receptor de aire local para operación de emergencia

Es posible que se requiera un receptor local cuando el cabezal de la planta no puede soportar el flujo máximo, cuando la válvula es remota o cuando se deben completar uno o más movimientos después de una pérdida de suministro de aire. Para un cálculo preliminar de cribado isotérmico:

V_receptor ≈V_N,requerido ×P_{cajero automático} / (P_{1, abdominales} − PAG_{2, abdominales})

donde P₁ es la presión inicial del receptor y P₂ es la presión más baja permitida del receptor después de la operación. Ambas deben ser presiones absolutas. La presión final mínima aún debe proporcionar un par de actuador suficiente después de las pérdidas del regulador y del recorrido del flujo.

Usando el golpe de apertura 19.4 NL del ejemplo, un receptor de 8 barg que puede caer a 5 barg da:

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

Este resultado de 6,55 L es un valor preliminar ideal para una carrera motorizada. No incluye volumen de línea, fugas, comportamiento del regulador, cambio de temperatura, reserva, pulsaciones de emergencia repetidas ni requisitos de código. Aplique la asignación documentada del proyecto, elija un receptor estándar apropiado y haga revisar el sistema neumático final para cumplir con los requisitos de seguridad y recipientes a presión.

La calidad del aire es parte de la confiabilidad

El flujo insuficiente no es el único problema de suministro de aire. El agua, el aceite y las partículas pueden afectar los sellos, los solenoides, los posicionadores y los componentes del escape. ISO 8573-1:2010 define las clases de pureza del aire comprimido para partículas, agua y aceite. La clase requerida para un paquete de válvulas debe provenir de los fabricantes del actuador y accesorios más la especificación del proyecto; no debe asumirse únicamente a partir del título estándar.

Verifique también el punto de rocío permitido a la temperatura ambiente más baja. El condensado que se congela en un solenoide exterior o en una ruta de escape puede impedir el movimiento de seguridad requerido incluso cuando el cálculo del consumo de aire a temperatura ambiente es correcto.

Síntomas que indican un problema de flujo o volumen de aire

Si un paquete alineado mecánicamente se atasca repetidamente o se desplaza de manera desigual, inspeccione también la alineación del soporte, el acoplamiento y el eje. Las consecuencias se discuten en actuadores de válvulas neumáticas desalineados.

Información para incluir en la hoja de tallas o RFQ

Una solicitud útil de suministro de aire del actuador debe incluir suficiente información para que la válvula, el actuador y los accesorios se puedan verificar juntos:

• tipo de válvula, tamaño, clase de presión y medio de proceso;
• presión diferencial máxima y par o empuje requerido de la válvula;
• marca, modelo, acción y juego de resorte del actuador, cuando corresponda;
• volumen de la cámara del fabricante o consumo de aire declarado y condiciones nominales;
• presión de aire mínima/normal/máxima en la ubicación de la válvula;
• hora de apertura y cierre, incluida la tolerancia;
• velocidad de ciclo normal, velocidad de ciclo máxima y movimientos valvulares simultáneos;
• función del solenoide, voltaje, caudal nominal y método de montaje;
• material del tubo, diámetro interno, longitud y disposición de los accesorios;
• rango ambiental, requisito de recinto/área peligrosa y calidad del aire especificada;
• posición de falla y número de movimientos requeridos después de la pérdida del suministro de aire;
• Criterios de aceptación para fugas, tiempo de viaje y retroalimentación de posición.

Para aplicaciones de válvula de mariposa, el guía de válvula de mariposa neumática proporciona contexto adicional de selección de paquetes. Las familias de válvulas disponibles también se pueden revisar en válvulas de bola, válvulas de mariposa y válvulas de control.

Verifique el paquete de válvulas completado

La prueba final es una prueba integrada. Utilice la presión de aire especificada y la disposición final de accesorios, luego:

1. registrar la presión estática antes del movimiento;
2. registrar la presión mínima en el actuador durante la apertura y el cierre;
3. medir ambos tiempos de carrera en ciclos repetidos;
4. confirmar la indicación de posición abierta y cerrada;
5. comprobar fugas externas en tubos, accesorios y puertos para accesorios;
6. confirmar la acción de falla requerida simulando una pérdida de energía y/o aire de acuerdo con el procedimiento de prueba aprobado;
7. si hay instalado un receptor, verificar el número requerido de movimientos a partir de la presión almacenada mínima especificada;
8. ajuste del regulador de documentos, posición de control de velocidad y temperatura de prueba.

Para un paquete específico del proyecto, envíe el servicio de la válvula, la presión diferencial, el rango de presión de aire disponible, el tiempo de viaje requerido, la velocidad del ciclo y la acción de falla a través del pagina de contacto. Esa información permite que la verificación del torque y la verificación del flujo neumático se completen como una selección integrada.

Preguntas frecuentes

Referencias técnicas

• Calculadora de consumo de aire de Festo — las entradas de cálculo incluyen el tipo de cilindro, tamaño, carrera, presión de funcionamiento y ciclos.
• Documentación del actuador neumático Rotork RC200 — Se proporcionan datos del fabricante sobre el consumo de aire y el tiempo de funcionamiento para la selección del actuador.
• Ejemplo de solenoide Emerson ASCO — ilustra la función de la válvula direccional y los datos de flujo Cv/Kv utilizados en la selección de accesorios.
• Amplificador de volumen Rotork YT-315 — un ejemplo de accesorio destinado a reducir el tiempo de respuesta del actuador cuando el circuito requiere capacidad de flujo adicional.
• ISO 8573-1:2010 — clases de pureza del aire comprimido para partículas, agua y aceite.