Una valvola pneumatica può funzionare solo poche volte all'ora e comunque non soddisfare i requisiti di chiusura di due secondi. Questa non è una contraddizione. Il compressore potrebbe avere una capacità totale sufficiente, mentre il regolatore, il solenoide, il tubo o il percorso di scarico non possono fornire il flusso richiesto durante il breve movimento.

Questa guida tratta l'attuatore come parte di un pacchetto valvola integrato. I requisiti di coppia della valvola determinano le dimensioni dell'attuatore; la dimensione dell'attuatore determina il volume della camera; e il volume della camera, la pressione e il tempo di percorrenza determinano il sistema di alimentazione dell'aria. Se l'attuatore non è stato ancora selezionato completare il dimensionamento della coppia dell'attuatore della valvola prima e confermare l'interfaccia meccanica utilizzando il Guida di montaggio valvola attuata ISO 5211.

Tre numeri che rispondono a tre domande diverse

"Di quanta aria ha bisogno questo attuatore?" è incompleto a meno che non venga definito l'output richiesto. Un calcolo pratico dovrebbe riportare tutti e tre i valori riportati di seguito.

La confusione di questi valori provoca errori prevedibili. Moltiplicando l'aria per ciclo per i cicli al minuto si ottiene una domanda media, ma tale media non descrive un evento di apertura di due secondi. Al contrario, la scelta di un compressore in base al flusso di picco di ciascuna valvola può sovrastimare notevolmente la domanda dell'impianto quando le valvole non si muovono contemporaneamente.

Definire il limite di calcolo prima di utilizzare una formula

Decidi cosa include il calcolo. La scheda tecnica dell'attuatore può indicare solo il consumo interno della camera. Il pacchetto installato contiene anche tubi e cavità accessorie pressurizzate e scaricate. Un calcolo di progetto dovrebbe quindi registrare:

• tipo di attuatore: doppio effetto o ritorno a molla;
• modello dell'attuatore e volume della camera per ciascuna direzione alimentata;
• pressione minima e massima disponibile all'ingresso dell'attuatore;
• orari di apertura e chiusura richiesti;
• frequenza del ciclo normale, di punta e di emergenza;
• diametro interno e lunghezza del tubo;
• predisposizione per solenoide, regolatore, controllo del flusso, silenziatore e scarico rapido;
• temperatura dell’aria e condizioni di riferimento del volume normale del progetto;
• indennità di perdita e qualsiasi futura indennità operativa richiesta dal progetto.

Gli attuatori a pignone e cremagliera e a glifo hanno una geometria interna che non è rappresentata accuratamente da un semplice calcolo del cilindro esterno. La tabella del volume d’aria del produttore è l’input preferito. Se il produttore fornisce il "consumo d'aria per ciclo" a una pressione specificata, verificare se tale valore è aria libera normalizzata e se rappresenta una corsa o un ciclo completo di apertura e chiusura.

Passaggio 1: convertire il volume della camera in aria normalizzata

Una camera dell'attuatore da 2,8 L non consuma solo 2,8 litri normali quando è riempita a 6 barg. Il gas all'interno della camera è compresso. Per una stima ingegneristica basata sulla relazione gas ideale:

V_N = V_camera × (pag_{abs, fornitura} /P_{addominali,normale}) × (T_normale /T_fornitura)

Se le temperature di riferimento e di mandata sono simili, il rapporto tra le temperature viene spesso trattato come circa 1:

V_N ≈ V_camera × (pag_g + pag_bancomat) / pag_bancomat

Dove:

• V_N = volume d'aria normalizzato o libero;
• V_camera = volume della camera dell'attuatore pressurizzato;
• p_g = pressione relativa di alimentazione;
• p_bancomat = pressione atmosferica locale;
• P_addominali = pressione assoluta;
• T = temperatura assoluta in Kelvin.

Se sono disponibili solo le dimensioni del cilindro

Per un cilindro a pistone lineare convenzionale, il volume geometrico può essere stimato da alesaggio, diametro dello stelo e corsa:

Volume di testata = πD²s / 4

Volume dell'estremità dello stelo = π(D² − d²)s / 4

qui, D è l'alesaggio del pistone, d è il diametro dell'asta e s è un ictus. Aggiungere il volume di gioco finale, se noto. Non applicare queste equazioni a un attuatore a pignone e cremagliera a quarto di giro o a glifo a meno che il produttore non fornisca specificatamente le dimensioni interne necessarie per quel modello.

Passaggio 2: contare correttamente i colpi potenziati

Attuatore a doppio effetto

Un attuatore a doppio effetto utilizza aria compressa per aprire e chiudere. Se i volumi delle due camere differiscono, calcolarli separatamente:

V_N,ciclo = V_{N, aperto} + V_{N, chiudi}

Un ciclo significa un'apertura completa e una chiusura completa. Alcuni cataloghi utilizzano "operazione" per indicare un singolo tratto, quindi è necessario verificare la definizione della scheda tecnica.

Attuatore con ritorno a molla

Un attuatore con ritorno a molla utilizza normalmente aria compressa in una sola direzione; l'energia della molla immagazzinata guida la direzione della rottura. Il consumo di aria compressa per ciclo si basa quindi sul riempimento della camera alimentata, oltre al volume degli accessori e dei tubi collegati. Ciò non significa che l'attuatore sia automaticamente più piccolo o più efficiente: anche il lato pneumatico deve superare il carico della molla, che spesso aumenta le dimensioni dell'attuatore.

La scelta operativa dovrebbe seguire la posizione di guasto richiesta e la filosofia di sicurezza, non solo il consumo d'aria. Per le differenze funzionali cfr attuatori a semplice effetto rispetto a quelli a doppio effetto.

Esempio elaborato: un ciclo utilizza 34,6 NL, ma l'apertura richiede 582 NL/min

Prendi in considerazione un attuatore a quarto di giro a doppio effetto con i seguenti dati del produttore e requisiti di servizio:

• volume della camera di apertura: 2,8 L;
• volume della camera di chiusura: 2,2 L;
• pressione di alimentazione all'attuatore: 6 barg;
• pressione atmosferica: 1.013 bar;
• velocità operativa normale: 12 cicli completi all'ora;
• tempo di apertura richiesto: 2 secondi;
• tempo di chiusura richiesto: 2 secondi;
• correzione della temperatura omessa per questa stima preliminare perché le temperature di riferimento e di mandata sono presupposte simili.

1. Calcolare il rapporto di pressione

Rapporto di pressione = (6 + 1,013) / 1,013 = 6,92

2. Calcolare l'aria normalizzata per corsa

Aria di apertura = 2,8 × 6,92 = 19,4 NL

Aria di chiusura = 2,2 × 6,92 = 15,2 NL

3. Calcolare l'aria per ciclo completo

Aria per ciclo = 19,4 + 15,2 = 34,6 NL/ciclo

4. Calcola la domanda media dell'impianto

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

5. Calcolare il flusso richiesto durante ogni corsa

Portata di apertura = (19,4 / 2) × 60 = 582 NL/min

Portata di chiusura = (15,2 / 2) × 60 = 456 NL/min

Il compressore vede solo 6,9 NL/min come media a lungo termine per questa valvola, ma il percorso dell'aria di apertura deve erogare circa 582 NL/min durante il movimento prima di considerare ulteriori tolleranze e perdite di pressione. Ecco perché selezionare il solenoide da 6,9 NL/min sarebbe un grave errore.

Questi sono risultati di calcolo idealizzati, non valutazioni finali dei componenti. È comunque necessario considerare il volume morto della tubazione, le curve di flusso della valvola, la caduta di pressione, la temperatura dell'aria, le perdite e la tolleranza di progettazione approvata dal progetto.

La pressione accoppia il consumo d'aria alla coppia della valvola

L'aumento della pressione di alimentazione dell'attuatore normalmente aumenta la coppia dell'attuatore, ma aumenta anche l'aria normalizzata utilizzata per ogni riempimento della camera. La pressione utilizzabile è la pressione disponibile sull'attuatore mentre è in movimento, non la pressione di assenza di flusso indicata sul compressore o sul regolatore a parete.

Controllare le due estremità del campo di pressione:

• Pressione dinamica minima: l'attuatore deve produrre una coppia sufficiente dopo aver tenuto conto delle perdite del regolatore, del solenoide, dei raccordi e dei tubi.
• Pressione massima possibile: lo stelo della valvola, il giunto, la staffa e il riduttore non devono essere sovraccaricati se il regolatore è impostato su alto o si guasta.

La coppia di rottura della valvola può superare la coppia di funzionamento, soprattutto dopo lunghi periodi statici, a bassa temperatura, con fluidi asciutti o sotto la massima pressione differenziale. Un attuatore che si muove liberamente durante un test in officina senza carico potrebbe comunque bloccarsi durante il servizio. Il dimensionamento della coppia e il dimensionamento del flusso d'aria devono pertanto utilizzare gli stessi presupposti di pressione.

Spesso è il percorso dell'aria, non la porta dell'attuatore, a determinare il tempo di ciclo

Il flusso della corsa calcolato deve passare attraverso ogni restrizione tra il collettore e l'attuatore e attraverso il percorso di scarico sulla camera opposta. Rivedi la catena completa:

Testata dell'impianto → valvola di isolamento → filtro/regolatore → elettrovalvola → raccordi → tubazione → controllo della velocità → porta dell'attuatore → raccordo di scarico o silenziatore

Elettrovalvola

Selezionare la configurazione del solenoide per l'attuatore e l'azione di guasto, generalmente 5/2 per doppio effetto e 3/2 per ritorno a molla, quindi utilizzare la curva di flusso del produttore, Cv, Kv o la portata standardizzata alle condizioni effettive di ingresso e uscita. La sola dimensione nominale della porta non definisce il flusso d'aria utilizzabile.

Regolatore e filtro

Un regolatore può mantenere la pressione statica corretta ma abbassarsi durante una corsa veloce. Controllare la curva di flusso e assicurarsi che l'elemento filtrante sia dimensionato e mantenuto per la domanda di picco. La pressione deve essere osservata a monte e a valle durante il movimento quando si diagnostica la corsa lenta.

Tubi e raccordi

Utilizzare il diametro interno del tubo, non solo il diametro esterno, e includere lunghezza, curve, raccordi a T, fori dei raccordi a innesto e restrizioni di scarico. Il lungo tubo su una valvola remota aggiunge volume e aumenta la caduta di pressione. Posizionando il solenoide vicino all'attuatore è possibile accorciare il percorso del flusso finale, in base ai requisiti elettrici, ambientali e di manutenzione.

Controlli di velocità, silenziatori e scarico

I controlli di flusso in uscita sono utili per una corsa stabile, ma un controllo eccessivamente chiuso crea un movimento lento o irregolare. I silenziatori di scarico contaminati sono una restrizione nascosta comune. Una valvola di scarico rapido o un booster di volume possono migliorare la risposta laddove la filosofia di controllo lo consente, ma dovrebbero essere selezionati e testati come parte del circuito completo piuttosto che aggiunti come cura generica.

Screening di un ricevitore d'aria locale per il funzionamento di emergenza

Un ricevitore locale può essere necessario quando la testata dell'impianto non è in grado di supportare il flusso di picco, quando la valvola è remota o quando uno o più movimenti devono essere completati dopo la perdita dell'alimentazione d'aria. Per un calcolo preliminare dello screening isotermico:

V_ricevitore ≈ V_N,richiesto ×P_bancomat / (P_{1, ass} −P_2,ass)

Dove P₁ è la pressione iniziale del ricevitore e P₂ è la pressione minima consentita del ricevitore dopo il funzionamento. Entrambe devono essere pressioni assolute. La pressione finale minima deve comunque fornire una coppia attuatore sufficiente dopo il regolatore e le perdite del percorso del flusso.

Utilizzando la corsa di apertura 19.4 NL dell’esempio, un ricevitore da 8 barg che può scendere a 5 barg dà:

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

Questo risultato di 6,55 L è un valore preliminare ideale per una corsa motorizzata. Non include il volume della linea, le perdite, il comportamento del regolatore, il cambiamento di temperatura, la riserva, le corse di emergenza ripetute o i requisiti del codice. Applicare l'indennità di progetto documentata, scegliere un ricevitore standard appropriato e far revisionare il sistema pneumatico finale per quanto riguarda il recipiente a pressione e i requisiti di sicurezza.

La qualità dell'aria è parte dell'affidabilità

Il flusso insufficiente non è l’unico problema di fornitura d’aria. Acqua, olio e particelle possono intaccare guarnizioni, solenoidi, posizionatori e componenti di scarico. ISO8573-1:2010 definisce le classi di purezza dell'aria compressa per particelle, acqua e olio. La classe richiesta per un pacchetto di valvole deve provenire dai produttori dell'attuatore e degli accessori oltre alle specifiche del progetto; non dovrebbe essere desunto solo dal titolo standard.

Verificare anche il punto di rugiada consentito alla temperatura ambiente più bassa. La condensa che si congela in un solenoide esterno o in un percorso di scarico può impedire il movimento di sicurezza richiesto anche quando il calcolo del consumo d'aria a temperatura ambiente è corretto.

Sintomi che indicano un problema di flusso o volume d'aria

Se un pacco allineato meccanicamente si blocca o viaggia ripetutamente in modo non uniforme, ispezionare anche l'allineamento della staffa, del giunto e dell'albero. Le conseguenze sono discusse in attuatori delle valvole pneumatiche disallineati.

Informazioni da inserire nella scheda di dimensionamento o nella richiesta di offerta

Una richiesta di alimentazione d'aria utile all'attuatore dovrebbe includere informazioni sufficienti per poter controllare insieme la valvola, l'attuatore e gli accessori:

• tipo di valvola, dimensione, classe di pressione e mezzo di processo;
• pressione differenziale massima e coppia o spinta della valvola richiesta;
• marca, modello, azione e set di molle dell'attuatore ove applicabile;
• volume della camera del produttore o consumo d'aria dichiarato e condizioni nominali;
• pressione dell'aria minima/normale/massima nella posizione della valvola;
• orario di apertura e chiusura, compresa la tolleranza;
• frequenza del ciclo normale, frequenza del ciclo di picco e movimenti simultanei della valvola;
• funzione del solenoide, tensione, portata e metodo di montaggio;
• materiale del tubo, diametro interno, lunghezza e disposizione dei raccordi;
• intervallo ambientale, requisiti della custodia/area pericolosa e qualità dell'aria specificata;
• posizione di guasto e numero di movimenti richiesti dopo la perdita dell'alimentazione d'aria;
• criteri di accettazione per perdite, tempo di percorrenza e feedback di posizione.

Per le applicazioni con valvole a farfalla, il guida pneumatica della valvola a farfalla fornisce ulteriore contesto per la selezione dei pacchetti. È inoltre possibile esaminare le famiglie di valvole disponibili nella sezione valvole a sfera, valvole a farfalla e valvole di controllo.

Verificare il pacchetto valvole completato

La prova finale è un test integrato. Utilizzare la pressione dell'aria specificata e la disposizione finale degli accessori, quindi:

1. registrare la pressione statica prima del movimento;
2. registrare la pressione minima sull'attuatore durante l'apertura e la chiusura;
3. misurare entrambi i tempi di corsa su cicli ripetuti;
4. confermare l'indicazione della posizione aperta e chiusa;
5. controllare le perdite esterne su tubi, raccordi e porte accessorie;
6. confermare l'azione di guasto richiesta simulando la perdita di potenza e/o aria secondo la procedura di test approvata;
7. se è installato un ricevitore, verificare il numero di movimenti richiesto dalla pressione minima immagazzinata specificata;
8. documentare l'impostazione del regolatore, la posizione del controllo della velocità e la temperatura di prova.

Per un pacchetto specifico per un progetto, inviare il servizio della valvola, la pressione differenziale, l'intervallo di pressione dell'aria disponibile, il tempo di percorrenza richiesto, la frequenza di ciclo e l'azione in caso di guasto tramite pagina dei contatti. Tali informazioni consentono di completare il controllo della coppia e il controllo del flusso pneumatico come un'unica selezione integrata.

Domande frequenti

Riferimenti tecnici

• Calcolatore del consumo d'aria Festo — gli input di calcolo includono tipo di cilindro, dimensioni, corsa, pressione operativa e cicli.
• Documentazione dell'attuatore pneumatico Rotork RC200 — Per la selezione dell'attuatore vengono forniti i dati relativi al consumo d'aria e al tempo di funzionamento del produttore.
• Esempio di solenoide ASCO Emerson — illustra la funzione della valvola direzionale e i dati di flusso Cv/Kv utilizzati nella selezione degli accessori.
• Amplificatore di volume Rotork YT-315 — un esempio di accessorio destinato a ridurre il tempo di risposta dell'attuatore laddove il circuito richiede capacità di flusso aggiuntiva.
• ISO8573-1:2010 — classi di purezza dell'aria compressa per particelle, acqua e olio.