Uma válvula pneumática pode operar apenas algumas vezes por hora e ainda assim falhar no requisito de fechamento de dois segundos. Isso não é uma contradição. O compressor pode ter capacidade total suficiente, enquanto o regulador, o solenóide, a tubulação ou o caminho de exaustão não podem fornecer o fluxo necessário durante o movimento curto.

Este guia trata o atuador como parte de um pacote de válvula integrado. O requisito de torque da válvula determina o tamanho do atuador; o tamanho do atuador determina o volume da câmara; e o volume da câmara, a pressão e o tempo de viagem determinam o sistema de fornecimento de ar. Se o atuador ainda não tiver sido selecionado, conclua o dimensionamento de torque do atuador de válvula primeiro e confirme a interface mecânica usando o Guia de montagem de válvula acionada ISO 5211.

Três números que respondem a três perguntas diferentes

“Quanto ar esse atuador precisa?” está incompleto, a menos que a saída necessária seja definida. Um cálculo prático deve reportar todos os três valores abaixo.

Confundir esses valores causa erros previsíveis. Multiplicar o ar por ciclo por ciclos por minuto dá uma demanda média, mas essa média não descreve um evento de abertura de dois segundos. Por outro lado, selecionar um compressor a partir do pico de vazão de cada válvula pode superestimar enormemente a demanda da planta quando as válvulas não se movem simultaneamente.

Defina o limite de cálculo antes de usar uma fórmula

Decida o que o cálculo inclui. A ficha técnica do atuador pode indicar apenas o consumo interno da câmara. O pacote instalado também contém tubos e cavidades acessórias que são pressurizadas e esgotadas. Um cálculo de projeto deve, portanto, registrar:

• tipo de atuador: dupla ação ou retorno por mola;
• modelo do atuador e volume da câmara para cada direção de potência;
• pressão mínima e máxima disponível na entrada do atuador;
• horários de abertura e fechamento exigidos;
• frequência do ciclo normal, de pico e de emergência;
• diâmetro interno e comprimento do tubo;
• solenóide, regulador, controle de fluxo, silenciador e arranjo de exaustão rápida;
• temperatura do ar e condições de referência de volume normal do projeto;
• subsídio de vazamento e qualquer subsídio operacional futuro exigido pelo projeto.

Os atuadores de cremalheira e pinhão e scotch-yoke possuem geometria interna que não é representada com precisão por um simples cálculo de cilindro externo. A tabela de volume de ar do fabricante é a entrada preferida. Se o fabricante fornecer “consumo de ar por ciclo” a uma pressão declarada, confirme se esse valor é ar livre normalizado e se representa um curso ou um ciclo completo de abertura e fechamento.

Passo 1: Converter o Volume da Câmara em Ar Normalizado

Uma câmara do atuador de 2,8 L não consome apenas 2,8 litros normais quando é cheia até 6 barg. O gás dentro da câmara é comprimido. Para uma estimativa de engenharia baseada na relação gás ideal:

V_N =V_câmara × (P_{abdômen, fornecimento} /P_{abdômen, normal}) × (T_normais /T_fornecimento)

Se as temperaturas de referência e de alimentação forem semelhantes, a relação de temperatura é frequentemente tratada como aproximadamente 1:

V_N ≈V_câmara × (p._g +p_{caixa eletrônico}) /p_{caixa eletrônico}

Onde:

• V_N = volume normalizado ou de ar livre;
• V_câmara = volume da câmara do atuador pressurizado;
• p_g = pressão manométrica de alimentação;
• p_{caixa eletrônico} = pressão atmosférica local;
• P_abdômen = pressão absoluta;
• T = temperatura absoluta em Kelvin.

Se apenas as dimensões do cilindro estiverem disponíveis

Para um cilindro de pistão linear convencional, o volume geométrico pode ser estimado a partir do furo, diâmetro da haste e curso:

Volume final = πD²s / 4

Volume da extremidade da haste = π(D² − d²)s / 4

Aqui, D é o furo do pistão, d é o diâmetro da haste e s é acidente vascular cerebral. Adicione o volume de liberação final, se conhecido. Não aplique essas equações a um atuador de pinhão e cremalheira de quarto de volta ou scotch-yoke, a menos que o fabricante forneça especificamente as dimensões internas necessárias para esse modelo.

Etapa 2: conte os golpes motorizados corretamente

Atuador de dupla ação

Um atuador de dupla ação utiliza ar comprimido para abrir e fechar. Se os volumes das duas câmaras forem diferentes, calcule-os separadamente:

V_{N, ciclo} =V_{N, aberto} +V_{N, fechar}

Um ciclo significa uma abertura completa e um fechamento completo. Alguns catálogos usam “operação” para significar um único traço, portanto a definição da folha de dados deve ser verificada.

Atuador de retorno por mola

Um atuador com retorno por mola normalmente usa ar comprimido em apenas uma direção; a energia armazenada da mola impulsiona a direção da falha. Seu consumo de ar comprimido por ciclo é, portanto, baseado no enchimento da câmara, além dos acessórios conectados e do volume da tubulação. Isso não significa que o atuador seja automaticamente menor ou mais eficiente: o lado pneumático também deve superar a carga da mola, o que muitas vezes aumenta o tamanho do atuador.

A escolha operacional deve seguir a posição de falha exigida e a filosofia de segurança, e não apenas o consumo de ar. Para as diferenças funcionais, consulte atuadores de ação simples versus atuadores de ação dupla.

Exemplo resolvido: um ciclo usa 34,6 NL, mas a abertura precisa de 582 NL/min

Considere um atuador quarto de volta de ação dupla com os seguintes dados do fabricante e requisitos de serviço:

• volume da câmara de abertura: 2,8 L;
• volume da câmara de fechamento: 2,2 L;
• pressão de alimentação no atuador: 6 barg;
• pressão atmosférica: 1,013 bar;
• taxa de operação normal: 12 ciclos completos por hora;
• tempo de abertura necessário: 2 segundos;
• tempo de fechamento necessário: 2 segundos;
• correção de temperatura omitida para esta estimativa preliminar porque as temperaturas de referência e de fornecimento são consideradas semelhantes.

1. Calcule a relação de pressão

Razão de pressão = (6 + 1,013) / 1,013 = 6,92

2. Calcule o ar normalizado por curso

Ar de abertura = 2,8 × 6,92 = 19,4 NL

Ar de fechamento = 2,2 × 6,92 = 15,2 NL

3. Calcule o ar por ciclo completo

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

4. Calcule a demanda média da planta

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

5. Calcule o fluxo necessário durante cada curso

Fluxo de abertura = (19,4 / 2) × 60 = 582 NL/min

Fluxo de fechamento = (15,2 / 2) × 60 = 456 NL/min

O compressor considera apenas 6,9 NL/min como a média de longo prazo para esta válvula, mas o caminho de ar de abertura deve fornecer aproximadamente 582 NL/min durante o movimento antes que perdas adicionais de pressão e tolerância sejam consideradas. É por isso que selecionar o solenóide de 6,9 NL/min seria um erro grave.

Estes são resultados de cálculo idealizados, não classificações finais dos componentes. O volume morto da tubulação, as curvas de fluxo da válvula, a queda de pressão, a temperatura do ar, o vazamento e a tolerância de projeto aprovada pelo projeto ainda devem ser considerados.

A pressão acopla o consumo de ar ao torque da válvula

Aumentar a pressão de alimentação do atuador normalmente aumenta o torque do atuador, mas também aumenta o ar normalizado usado para cada enchimento de câmara. A pressão utilizável é a pressão disponível no atuador enquanto ele está em movimento, e não a pressão sem fluxo mostrada no compressor ou no regulador de parede.

Verifique duas extremidades da faixa de pressão:

• Pressão dinâmica mínima: o atuador deve produzir torque suficiente após perdas no regulador, solenóide, conexão e tubulação.
• Pressão máxima possível: a haste da válvula, o acoplamento, o suporte e a caixa de engrenagens não devem ser sobrecarregados se o regulador estiver ajustado para alto ou falhar.

O torque de ruptura da válvula pode exceder o torque de funcionamento, especialmente após longos períodos estáticos, em baixa temperatura, com meio seco ou sob pressão diferencial total. Um atuador que se mova livremente durante um teste de oficina sem carga ainda pode travar em serviço. O dimensionamento do torque e o dimensionamento do fluxo de ar precisam, portanto, usar as mesmas suposições de pressão.

O caminho aéreo, e não a porta do atuador, geralmente define o tempo de ciclo

O fluxo de curso calculado deve passar por todas as restrições entre o coletor e o atuador – e pelo caminho de exaustão na câmara oposta. Revise a cadeia completa:

Coletor da planta → válvula de isolamento → filtro/regulador → válvula solenóide → conexões → tubulação → controle de velocidade → porta do atuador → conexão de exaustão ou silenciador

Válvula Solenóide

Selecione a configuração do solenóide para o atuador e a ação de falha – geralmente 5/2 para dupla ação e 3/2 para retorno por mola – e então use a curva de vazão do fabricante, Cv, Kv ou classificação de vazão padronizada nas condições reais de entrada e saída. O tamanho nominal da porta por si só não define o fluxo de ar utilizável.

Regulador e Filtro

Um regulador pode manter a pressão estática correta, mas cair durante um movimento rápido. Verifique sua curva de fluxo e certifique-se de que o elemento filtrante seja dimensionado e mantido para o pico de demanda. A pressão deve ser observada a montante e a jusante durante o movimento ao diagnosticar deslocamento lento.

Tubulação e acessórios

Use o diâmetro interno do tubo - não apenas o diâmetro externo - e inclua comprimento, curvas, tês, furos de encaixe push-in e restrições de exaustão. A tubulação longa em uma válvula remota adiciona volume e aumenta a queda de pressão. Colocar o solenóide próximo ao atuador pode encurtar o caminho do fluxo final, sujeito a requisitos elétricos, ambientais e de manutenção.

Controles de velocidade, silenciadores e escapamento

Os controles de fluxo medido são úteis para um deslocamento estável, mas um controle excessivamente fechado cria um movimento lento ou irregular. Silenciadores de escape contaminados são uma restrição oculta comum. Uma válvula de escape rápido ou amplificador de volume pode melhorar a resposta onde a filosofia de controle permitir, mas deve ser selecionada e testada como parte do circuito completo, em vez de adicionada como uma cura genérica.

Triagem de um receptor aéreo local para operação de emergência

Um receptor local pode ser necessário quando o coletor da planta não puder suportar o pico de fluxo, quando a válvula estiver remota ou quando um ou mais movimentos precisarem ser concluídos após a perda do suprimento de ar. Para um cálculo preliminar de blindagem isotérmica:

V_receptor ≈V_{N, obrigatório} ×P_{caixa eletrônico} / (P_{1, abdômen} −P_2,abdominais)

Onde P₁ é a pressão inicial do receptor e P₂ é a pressão mais baixa permitida no receptor após a operação. Ambas devem ser pressões absolutas. A pressão final mínima ainda deve fornecer torque suficiente ao atuador após as perdas do regulador e do caminho de fluxo.

Usando o curso de abertura 19,4 NL do exemplo, um receptor de 8 barg que pode cair para 5 barg fornece:

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

Este resultado de 6,55 L é um valor preliminar ideal para um golpe motorizado. Não inclui volume da linha, vazamento, comportamento do regulador, mudança de temperatura, reserva, cursos de emergência repetidos ou requisitos de código. Aplique a permissão documentada do projeto, escolha um receptor padrão apropriado e faça com que o sistema pneumático final seja revisado quanto ao vaso de pressão e aos requisitos de segurança.

A qualidade do ar faz parte da confiabilidade

O fluxo insuficiente não é o único problema de fornecimento de ar. Água, óleo e partículas podem afetar vedações, solenóides, posicionadores e componentes de escapamento. ISO 8573-1:2010 define classes de pureza de ar comprimido para partículas, água e óleo. A classe exigida para um conjunto de válvulas deve ser proveniente dos fabricantes do atuador e dos acessórios, além da especificação do projeto; não deve ser presumido apenas a partir do título padrão.

Verifique também o ponto de orvalho permitido na temperatura ambiente mais baixa. O condensado que congela em um solenóide externo ou no caminho de exaustão pode impedir o movimento de segurança necessário, mesmo quando o cálculo do consumo de ar à temperatura ambiente está correto.

Sintomas que apontam para um problema de fluxo ou volume de ar

Se um pacote alinhado mecanicamente emperrar repetidamente ou se deslocar de maneira desigual, inspecione também o suporte, o acoplamento e o alinhamento do eixo. As consequências são discutidas em atuadores de válvula pneumática desalinhados.

Informações para colocar na folha de dimensionamento ou RFQ

Uma solicitação útil de fornecimento de ar do atuador deve incluir informações suficientes para que a válvula, o atuador e os acessórios sejam verificados em conjunto:

• tipo de válvula, tamanho, classe de pressão e meio de processo;
• pressão diferencial máxima e torque ou empuxo necessário da válvula;
• marca, modelo, ação e conjunto de mola do atuador, quando aplicável;
• volume da câmara do fabricante ou consumo de ar declarado e condições de classificação;
• pressão de ar mínima/normal/máxima no local da válvula;
• horário de abertura e fechamento, incluindo tolerância;
• taxa de ciclo normal, taxa de pico de ciclo e movimentos simultâneos da válvula;
• função solenóide, tensão, vazão e método de montagem;
• material do tubo, diâmetro interno, comprimento e disposição do encaixe;
• faixa ambiente, requisitos de gabinete/área classificada e qualidade do ar especificada;
• posição de falha e número de movimentos necessários após perda de suprimento de ar;
• critérios de aceitação para vazamento, tempo de viagem e feedback de posição.

Para aplicações em válvulas borboleta, o guia de válvula borboleta pneumática fornece contexto adicional de seleção de pacotes. As famílias de válvulas disponíveis também podem ser revisadas em válvulas de esfera, válvulas borboleta e válvulas de controle.

Verifique o pacote de válvulas completo

A prova final é um teste integrado. Use a pressão de ar especificada e o arranjo final de acessórios e então:

1. registrar a pressão estática antes do movimento;
2. registrar a pressão mínima no atuador durante a abertura e fechamento;
3. medir ambos os tempos de curso em ciclos repetidos;
4. confirmar indicação de posição aberta e fechada;
5. verifique vazamentos externos em tubos, conexões e portas de acessórios;
6. confirmar a ação de falha necessária simulando perda de energia e/ou ar de acordo com o procedimento de teste aprovado;
7. se um receptor estiver instalado, verifique o número necessário de movimentos a partir da pressão armazenada mínima especificada;
8. configuração do regulador de documentos, posição de controle de velocidade e temperatura de teste.

Para um pacote específico do projeto, envie a função da válvula, a pressão diferencial, a faixa de pressão de ar disponível, o tempo de percurso necessário, a taxa de ciclo e a ação de falha através do página de contato. Essas informações permitem que a verificação de torque e a verificação de fluxo pneumático sejam concluídas como uma seleção integrada.

Perguntas frequentes

Referências Técnicas

• Calculadora de consumo de ar Festo — as entradas de cálculo incluem tipo de cilindro, tamanho, curso, pressão operacional e ciclos.
• Documentação do atuador pneumático Rotork RC200 — os dados de consumo de ar e tempo de operação do fabricante são fornecidos para seleção do atuador.
• Exemplo de solenóide Emerson ASCO — ilustra a função da válvula direcional e os dados de vazão Cv/Kv usados na seleção de acessórios.
• Amplificador de volume Rotork YT-315 — um exemplo de acessório destinado a reduzir o tempo de resposta do atuador quando o circuito requer capacidade de fluxo adicional.
• ISO 8573-1:2010 — classes de pureza do ar comprimido para partículas, água e óleo.