Une vanne pneumatique peut fonctionner seulement quelques fois par heure et ne pas respecter l'exigence de fermeture de deux secondes. Ce n'est pas une contradiction. Le compresseur peut avoir une capacité totale suffisante, tandis que le régulateur, le solénoïde, le tube ou le chemin d'échappement ne peuvent pas fournir le débit requis pendant le court mouvement.

Ce guide traite l'actionneur comme faisant partie d'un ensemble de vannes intégrées. Le couple requis par la vanne détermine la taille de l'actionneur ; la taille de l'actionneur détermine le volume de la chambre ; et le volume de la chambre, la pression et le temps de trajet déterminent le système d'alimentation en air. Si l'actionneur n'a pas encore été sélectionné, complétez les dimensionnement du couple de l'actionneur de vanne d'abord et confirmez l'interface mécanique à l'aide du Guide de montage des vannes actionnées ISO 5211.

Trois nombres qui répondent à trois questions différentes

« De quelle quantité d'air cet actionneur a-t-il besoin ? » est incomplet à moins que la sortie requise ne soit définie. Un calcul pratique devrait rapporter les trois valeurs ci-dessous.

Confondre ces valeurs provoque des erreurs prévisibles. La multiplication de l'air par cycle par des cycles par minute donne une demande moyenne, mais cette moyenne ne décrit pas un événement d'ouverture de deux secondes. À l’inverse, la sélection d’un compresseur à partir du débit de pointe de chaque vanne peut surévaluer considérablement la demande de l’usine lorsque les vannes ne bougent pas simultanément.

Définir la limite de calcul avant d'utiliser une formule

Décidez de ce que le calcul inclut. La fiche technique de l'actionneur peut indiquer uniquement la consommation interne de la chambre. L'ensemble installé contient également des tubes et des cavités pour accessoires qui sont pressurisés et évacués. Un calcul de projet doit donc enregistrer :

• type d'actionneur : double effet ou rappel par ressort ;
• modèle d'actionneur et volume de la chambre pour chaque direction motorisée ;
• pression minimale et maximale disponible à l'entrée de l'actionneur ;
• les heures d'ouverture et de fermeture requises;
• fréquence des cycles normaux, de pointe et d'urgence ;
• diamètre interne et longueur du tube ;
• solénoïde, régulateur, contrôle de débit, silencieux et système d'échappement rapide ;
• la température de l’air et les conditions de référence de volume normal du projet ;
• l'allocation de fuite et toute allocation d'exploitation future requise par le projet.

Les actionneurs à crémaillère et à pignon ont une géométrie interne qui n'est pas représentée avec précision par un simple calcul de cylindre externe. Le tableau des volumes d’air du fabricant est l’entrée privilégiée. Si le fabricant donne la « consommation d'air par cycle » à une pression indiquée, confirmez si cette valeur est de l'air libre normalisé et si elle représente une course ou un cycle complet d'ouverture et de fermeture.

Étape 1 : Convertir le volume de la chambre en air normalisé

Une chambre d'actionneur de 2,8 L ne consomme pas seulement 2,8 litres normaux lorsqu'elle est remplie à 6 barg. Le gaz à l’intérieur de la chambre est comprimé. Pour une estimation technique basée sur la relation gaz parfait :

V_N = V_chambre × (P_{abdominaux, fourniture} /P_{abdos, normaux}) × (T_normal /T_{approvisionnement})

Si les températures de référence et de départ sont similaires, le rapport de température est souvent traité comme étant d'environ 1 :

V_N ≈V_chambre × (p_g +p_{guichet automatique}) /p_{guichet automatique}

Où :

• V_N = volume d'air normalisé ou libre ;
• V_chambre = volume de la chambre de l'actionneur sous pression ;
• p_g = pression manométrique d'alimentation ;
• p_{guichet automatique} = pression atmosphérique locale ;
• P_abdos = pression absolue ;
• T = température absolue en kelvin.

Si seules les dimensions du cylindre sont disponibles

Pour un cylindre à piston linéaire conventionnel, le volume géométrique peut être estimé à partir de l'alésage, du diamètre de la tige et de la course :

Volume de fin de cap = πD²s / 4

Volume de l'extrémité de la tige = π(D² − d²)s / 4

Ici, D est l'alésage du piston, d est le diamètre de la tige et s est un accident vasculaire cérébral. Ajoutez le volume de dégagement final si connu. N'appliquez pas ces équations à un actionneur quart de tour à crémaillère ou à scotch-yoke, à moins que le fabricant ne fournisse spécifiquement les dimensions internes nécessaires pour ce modèle.

Étape 2 : Comptez correctement les coups propulsés

Actionneur à double effet

Un actionneur à double effet utilise de l'air comprimé pour ouvrir et fermer. Si les volumes des deux chambres diffèrent, calculez-les séparément :

V_N,cycle = V_{N, ouvert} +V_{N, fermer}

Un cycle signifie une ouverture complète et une fermeture complète. Certains catalogues utilisent « opération » pour désigner un seul coup, la définition de la fiche technique doit donc être vérifiée.

Actionneur à ressort de rappel

Un actionneur à ressort de rappel utilise normalement de l'air comprimé dans une seule direction ; l'énergie du ressort stockée entraîne la direction de la défaillance. Sa consommation d'air comprimé par cycle est donc basée sur le remplissage de la chambre motorisée, plus le volume des accessoires et des tubes connectés. Cela ne signifie pas que l'actionneur est automatiquement plus petit ou plus efficace : le côté pneumatique doit également surmonter la charge du ressort, ce qui augmente souvent la taille de l'actionneur.

Le choix de fonctionnement doit suivre la position de défaillance requise et la philosophie de sécurité, et non seulement la consommation d'air. Pour les différences fonctionnelles, voir actionneurs simple effet ou double effet.

Exemple concret : un cycle utilise 34,6 NL, mais l'ouverture nécessite 582 NL/min

Envisagez un actionneur quart de tour à double effet avec les données du fabricant et les exigences de service suivantes :

• volume de la chambre d'ouverture : 2,8 L ;
• volume de la chambre de fermeture : 2,2 L ;
• pression d'alimentation au niveau de l'actionneur : 6 barg ;
• pression atmosphérique : 1,013 bar ;
• cadence normale de fonctionnement : 12 cycles complets par heure ;
• temps d'ouverture requis : 2 secondes ;
• temps de fermeture requis : 2 secondes ;
• la correction de la température a été omise pour cette estimation préliminaire car les températures de référence et d'alimentation sont supposées similaires.

1. Calculez le rapport de pression

Rapport de pression = (6 + 1,013) / 1,013 = 6,92

2. Calculer l'air normalisé par course

Air d'ouverture = 2,8 × 6,92 = 19,4 NL

Air de fermeture = 2,2 × 6,92 = 15,2 NL

3. Calculer l'air par cycle complet

Air par cycle = 19,4 + 15,2 = 34,6 NL/cycle

4. Calculer la demande moyenne des usines

Demande moyenne = 34,6 × 12 = 415 NL/h = 6,9 NL/min

5. Calculez le débit requis lors de chaque course

Débit d'ouverture = (19,4 / 2) × 60 = 582 NL/min

Débit de fermeture = (15,2 / 2) × 60 = 456 NL/min

Le compresseur ne considère que 6,9 NL/min comme moyenne à long terme pour cette vanne, mais le trajet d'air d'ouverture doit fournir environ 582 NL/min pendant le mouvement avant que les tolérances supplémentaires et les pertes de pression ne soient prises en compte. C'est pourquoi sélectionner le solénoïde à partir de 6,9 NL/min serait une grave erreur.

Il s’agit de résultats de calcul idéalisés et non d’évaluations finales des composants. Le volume mort des tubes, les courbes de débit des vannes, la chute de pression, la température de l'air, les fuites et les tolérances de conception approuvées par le projet doivent toujours être pris en compte.

La pression couple la consommation d’air au couple de la valve

L'augmentation de la pression d'alimentation de l'actionneur augmente normalement le couple de l'actionneur, mais elle augmente également l'air normalisé utilisé pour chaque remplissage de chambre. La pression utilisable est la pression disponible sur l'actionneur pendant qu'il est en mouvement, et non la pression sans débit indiquée sur le compresseur ou le régulateur mural.

Vérifiez les deux extrémités de la plage de pression :

• Pression dynamique minimale : l'actionneur doit produire un couple suffisant après les pertes du régulateur, du solénoïde, du raccord et des tubes.
• Pression maximale possible : la tige de vanne, l'accouplement, le support et la boîte de vitesses ne doivent pas être surchargés si le régulateur est réglé haut ou tombe en panne.

Le couple de rupture de vanne peut dépasser le couple de fonctionnement, en particulier après de longues périodes statiques, à basse température, avec des fluides secs ou sous une pression différentielle maximale. Un actionneur qui se déplace librement lors d'un test en atelier sans charge peut toujours caler en service. Le dimensionnement du couple et du débit d'air doivent donc utiliser les mêmes hypothèses de pression.

C'est souvent le trajet de l'air, et non le port de l'actionneur, qui détermine le temps de cycle.

Le débit de course calculé doit traverser chaque restriction entre le collecteur et l'actionneur, ainsi que le chemin d'échappement de la chambre opposée. Revoyez la chaîne complète :

Collecteur d'installation → vanne d'isolement → filtre/régulateur → électrovanne → raccords → tubes → contrôle de vitesse → port d'actionneur → raccord d'échappement ou silencieux

Électrovanne

Sélectionnez la configuration du solénoïde pour l'actionneur et l'action de défaillance (généralement 5/2 pour double effet et 3/2 pour rappel par ressort), puis utilisez la courbe de débit du fabricant, Cv, Kv ou le débit nominal standardisé dans les conditions réelles d'entrée et de sortie. La taille nominale d’un orifice ne définit pas à elle seule le débit d’air utilisable.

Régulateur et filtre

Un régulateur peut maintenir la pression statique correcte tout en tombant lors d'une course rapide. Vérifiez sa courbe de débit et assurez-vous que l'élément filtrant est dimensionné et entretenu pour la demande de pointe. La pression doit être observée en amont et en aval pendant le mouvement lors du diagnostic d'un déplacement lent.

Tubes et raccords

Utilisez le diamètre interne du tube (pas seulement le diamètre extérieur) et incluez la longueur, les coudes, les tés, les alésages des raccords instantanés et les restrictions d'échappement. Un long tube sur une vanne distante ajoute du volume et augmente la chute de pression. Placer le solénoïde à proximité de l'actionneur peut raccourcir le trajet d'écoulement final, sous réserve des exigences électriques, environnementales et de maintenance.

Régulateurs de vitesse, silencieux et échappement

Les contrôles de débit de sortie sont utiles pour un déplacement stable, mais un contrôle trop fermé crée un mouvement lent ou irrégulier. Les silencieux d’échappement contaminés constituent une restriction cachée courante. Une soupape d'échappement rapide ou un booster de volume peuvent améliorer la réponse là où la philosophie de contrôle le permet, mais ils doivent être sélectionnés et testés dans le cadre du circuit complet plutôt que ajoutés en tant que remède générique.

Contrôle d'un récepteur d'air local pour une opération d'urgence

Un récepteur local peut être nécessaire lorsque le collecteur de l'usine ne peut pas supporter le débit de pointe, lorsque la vanne est distante ou lorsqu'un ou plusieurs mouvements doivent être effectués après une perte d'alimentation en air. Pour un calcul préliminaire de criblage isotherme :

V_récepteur ≈V_{N,obligatoire} ×P_{guichet automatique} / (P._{1, abdos} −P_{2, abdos})

Où P₁ est la pression initiale du récepteur et P₂ est la pression la plus basse autorisée dans le récepteur après le fonctionnement. Les deux doivent constituer des pressions absolues. La pression finale minimale doit toujours fournir un couple d'actionneur suffisant après les pertes du régulateur et du trajet d'écoulement.

En utilisant la course d'ouverture de 19,4 NL de l'exemple, un récepteur à 8 barg qui peut descendre à 5 barg donne :

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

Ce résultat de 6,55 L est une valeur préliminaire idéale pour une course motorisée. Cela n'inclut pas le volume de conduite, les fuites, le comportement du régulateur, le changement de température, la réserve, les courses d'urgence répétées ou les exigences du code. Appliquez l'allocation de projet documentée, choisissez un récepteur standard approprié et faites examiner le système pneumatique final pour les exigences en matière de récipient sous pression et de sécurité.

La qualité de l'air fait partie de la fiabilité

Un débit insuffisant n’est pas le seul problème d’alimentation en air. L'eau, l'huile et les particules peuvent affecter les joints, les solénoïdes, les positionneurs et les composants d'échappement. ISO 8573-1:2010 définit les classes de pureté de l'air comprimé pour les particules, l'eau et l'huile. La classe requise pour un ensemble de vannes doit provenir des fabricants d'actionneurs et d'accessoires ainsi que des spécifications du projet ; cela ne doit pas être déduit du seul titre standard.

Vérifiez également le point de rosée autorisé à la température ambiante la plus basse. Le condensat qui gèle dans un solénoïde extérieur ou dans un chemin d'évacuation peut empêcher le mouvement de sécurité requis, même lorsque le calcul de la consommation d'air à température ambiante est correct.

Symptômes indiquant un problème de débit ou de volume d'air

Si un colis aligné mécaniquement se coince ou se déplace de manière inégale à plusieurs reprises, inspectez également le support, l'accouplement et l'alignement de l'arbre. Les conséquences sont discutées dans actionneurs de vannes pneumatiques mal alignés.

Informations à mettre sur la feuille de dimensionnement ou la demande de prix

Une demande utile d'alimentation en air de l'actionneur doit inclure suffisamment d'informations pour que la vanne, l'actionneur et les accessoires puissent être vérifiés ensemble :

• type de vanne, taille, classe de pression et fluide de procédé ;
• pression différentielle maximale et couple ou poussée requis de la vanne ;
• marque, modèle, action et jeu de ressorts de l'actionneur, le cas échéant ;
• le volume de la chambre du fabricant ou la consommation d'air déclarée et les conditions nominales ;
• pression d'air minimale/normale/maximale à l'emplacement de la vanne ;
• heure d'ouverture et de fermeture, y compris la tolérance ;
• fréquence de cycle normale, fréquence de cycle maximale et mouvements simultanés des vannes ;
• fonction du solénoïde, tension, débit nominal et méthode de montage ;
• matériau du tube, diamètre interne, longueur et disposition des raccords ;
• plage ambiante, exigences en matière d'enceinte/zone dangereuse et qualité de l'air spécifiée ;
• position de défaillance et nombre de mouvements requis après une perte d'alimentation en air ;
• critères d'acceptation pour les fuites, le temps de trajet et le retour de position.

Pour les applications de vanne papillon, le guide de vanne papillon pneumatique fournit un contexte de sélection de package supplémentaire. Les familles de vannes disponibles peuvent également être consultées sous robinets à tournant sphérique, vannes papillon et vannes de régulation.

Vérifiez le package de vanne terminé

La preuve finale est un test intégré. Utilisez la pression d’air spécifiée et la disposition finale des accessoires, puis :

1. enregistrer la pression statique avant le mouvement ;
2. enregistrer la pression minimale au niveau de l'actionneur pendant l'ouverture et la fermeture ;
3. mesurer les deux temps de course sur des cycles répétés ;
4. confirmer l'indication de position ouverte et fermée ;
5. vérifier les fuites externes au niveau des tubes, des raccords et des ports d'accessoires ;
6. confirmer l'action de défaillance requise en simulant une perte de puissance et/ou d'air conformément à la procédure d'essai approuvée ;
7. si un récepteur est installé, vérifier le nombre de mouvements requis à partir de la pression stockée minimale spécifiée ;
8. réglage du régulateur de document, position de contrôle de vitesse et température de test.

Pour un package spécifique au projet, envoyez le service de la vanne, la pression différentielle, la plage de pression d'air disponible, le temps de trajet requis, la fréquence de cycle et l'action en cas de défaillance via le page de contact. Ces informations permettent d'effectuer le contrôle du couple et le contrôle du débit pneumatique en une seule sélection intégrée.

Foire aux questions

Références techniques

• Calculateur de consommation d'air Festo — les entrées de calcul incluent le type de vérin, sa taille, sa course, sa pression de fonctionnement et ses cycles.
• Documentation de l'actionneur pneumatique Rotork RC200 — les données de consommation d'air et de durée de fonctionnement du fabricant sont fournies pour la sélection de l'actionneur.
• Exemple de solénoïde Emerson ASCO — illustre la fonction de la vanne directionnelle et les données de débit Cv/Kv utilisées dans la sélection des accessoires.
• Amplificateur de volume Rotork YT-315 — un exemple d'accessoire destiné à réduire le temps de réponse de l'actionneur lorsque le circuit nécessite une capacité de débit supplémentaire.
• ISO 8573-1:2010 — classes de pureté de l'air comprimé pour les particules, l'eau et l'huile.