Dimenzování pohonu ventilu: Úplný technický průvodce krok za krokem pro spolehlivý provoz

Co vlastně znamená dimenzování pohonu ventilu

Správná odpověď na otázku „jak velký by měl být můj pohon ventilu? je jednoduchý: pohon musí dodávat větší krouticí moment, než jaký ventil požaduje, v nejhorším bodě zdvihu, při nejnižším stavu přívodu, který můžete zaručit. Každá dobrá metoda dimenzování je pouze strukturovaným způsobem, jak prokázat tuto jednu podmínku. Standardním průmyslovým výchozím bodem je a minimální bezpečnostní rezerva točivého momentu 25% nad maximálním vypínacím momentem publikovaným výrobcem ventilu.

Pohon, který je příliš malý, se zastaví dříve, než ventil dosáhne svého koncového dorazu, ponechá ventil pouze částečně otevřený nebo zavřený, odebírá nadměrný proud a případně selže v důsledku přehřátí nebo trvalého zastavení. Příliš velký pohon může být stejně škodlivý: bouchne ventil do jeho sedel, ohýbá vřetena, přetěžuje obložení a ztěžuje přesné ovládání. Dimenzování tedy není o výběru největšího aktuátoru, jaký můžete najít. Jde o to prokázat, že spodní bod křivky pohonu leží nad horním bodem křivky momentu ventilu.

Sečteno a podtrženo: poddimenzování způsobuje nefunkčnost, zatímco neuvážené předimenzování způsobuje mechanické poškození. Dokumentovaný výpočet krouticího momentu chrání ventil i pohon a poskytuje projektovému týmu záznam, který může znovu zkontrolovat, když se změní podmínky procesu.

Hodnoty točivého momentu, které řídí každý výpočet velikosti

Dimenzování začíná údaji o točivém momentu od výrobce ventilu. Pro čtvrtotáčkový ventil potřebujete čtyři hodnoty: kroutící moment při přetržení, kroutící moment v chodu, krouticí moment na konci a maximální uzavírací krouticí moment při vašem projektovaném diferenčním tlaku. Pro lineární ventil potřebujete ekvivalentní hodnoty tahu. Bez tohoto datového listu je výběr pohonu jen odhad.

Čtvrtotáčkové ventily: Přerušení, chod a koncový moment

• Zlomový moment je točivý moment potřebný k zahájení rotace a uvolnění koule, motýlkového kotouče nebo zátky. To je normálně nejvyšší hodnota v cyklu, zejména u ventilů s pružným sedlem, kde sedlo svírá uzavírací člen.
• Provozní moment je točivý moment potřebný k udržení ventilu v pohybu. Skládá se hlavně z tření ucpávky, tření ložisek a točivého momentu toku působícího na kotouč nebo kuličku.
• Koncový moment se objeví ve zcela otevřené nebo plně uzavřené poloze, což je způsobeno stlačením sedla, zastavením pohybu a v některých provedeních procesním tlakovým zatížením uzavíracího členu.

Lineární ventily: Zatížení sedla, tření těsnění a nevyváženost

• Zatížení sedadla je síla potřebná k zatlačení zátky nebo brány do sedla pro dosažení požadované třídy uzavření. U ventilů s kovovým sedlem je často vyšší než u ventilů s měkkým sedlem.
• Balící tření je odpor dříku klouzajícího skrz ucpávkovou krabici. Zvyšuje se se stárnutím ucpávky a je vždy vyšší, když je ventil v provozu několik cyklů.
• Hydraulická nevyváženost je síla od procesního tlaku působící na efektivní plochu kuželky. U jednosedlového globálního ventilu v provozu s vysokým poklesem tlaku může tento výraz dominovat výpočtu tahu.

Postup dimenzování ovladače ventilu krok za krokem

Tento postup použijte jak pro nové ventily, tak pro projekty modernizace. Funguje pro pneumatické, hydraulické a elektrické pohony, přičemž mezi technologiemi se mění pouze výpočet dodávky krouticího momentu.

1. Vyžádejte si list s momentem ventilu. Získejte hodnoty zlomu, chodu a koncového momentu při maximálním diferenčním tlaku a maximální teplotě. Poznamenejte si také rozměry pohonu vřetene a velikost montážní příruby.
2. Použijte bezpečnostní faktor. Vynásobte nejvyšší publikovaný moment ventilu alespoň 1,25. Pro špinavé, abrazivní nebo vysokocyklové služby použijte 1,5 nebo vyšší.
3. Definujte bezpečnou polohu. Rozhodněte, zda ventil musí selhat při otevření, selhání zavření nebo zůstat v poloze při ztrátě energie nebo vzduchu. To určuje typ pohonu a požadavky na pružinu.
4. Potvrďte podmínky dodávky. Zaznamenejte garantovaný minimální pneumatický tlak, rozsah hydraulického tlaku nebo elektrické napájecí napětí dostupné v místě pohonu.
5. Vyberte zkušební pohon. Porovnejte výstupní moment z katalogu pohonů při minimálním napájecím tlaku s požadovaným momentem včetně bezpečnostního faktoru.
6. Zkontrolujte každý bod krouticího momentu. U aktuátorů s vratnou pružinou zkontrolujte utahovací momenty pro start vzduchu, konec vzduchu, začátek pružiny a konec pružiny. U dvojčinných pohonů zkontrolujte výstup při minimálním napájecím tlaku v obou směrech.
7. Zkontrolujte dobu zdvihu a příslušenství. Ujistěte se, že pohon zdvihne ventil v časovém limitu procesu, že montážní rozhraní odpovídá rozměrům ISO 5211 a že polohovače, koncové spínače nebo elektromagnetické piloty nepřetěžují výstup pohonu.

Tato sekvence vypadá jednoduše, ale v ověřovacím kroku přetrvává většina chyb velikosti. Před schválením nákupu aktuátoru s vratnou pružinou vždy proveďte čtyřbodovou kontrolu točivého momentu.

Bezpečnostní faktory: Jaká je dostatečná rezerva točivého momentu

Bezpečnostní faktor je nejjednodušší a nejvíce nepochopená část dimenzování pohonu. Není povoleno vybrat náhodně větší model. Jedná se o záměrné přihlédnutí k nejistotám, které se objevují v každé skutečné instalaci: tolerance měření krouticího momentu, stárnutí těsnění, opotřebení sedla, diferenční tlak mimo projekt a znečištěná procesní média. Každý z nich zvyšuje moment, který ventil skutečně vyžaduje, ve srovnání s datovým listem čerstvého ventilu.

Vybraný bezpečnostní faktor zapište do technické specifikace, aby další technik nebo prodejce ventilového balení mohl přesně reprodukovat váš výpočet. Marže, která není zdokumentována, bude znovu projednána na každé projektové schůzce a výsledkem je často zbytečně velký aktuátor zakoupený pro urovnání sporu.

Dimenzování s vratnou pružinou proti selhání: Čtyřbodová kontrola

Pohon s vratnou pružinou vytváří v každé poloze jiný krouticí moment, protože pružina se stlačuje, když se pohon zvedne. Točivý moment vzduchu je nejvyšší, když se pohon poprvé začne pohybovat, a nejnižší, když je pružina plně stlačena. Moment pružiny je opačný: nejnižší v otevřené poloze, nejvyšší v zavřené poloze. To je důvod, proč jediné číslo točivého momentu nikdy nestačí pro pohon odolný proti selhání.

U aktuátoru s vratnou pružinou se zavřeným stavem ověřte tyto čtyři provozní body v tomto pořadí:

• Start vzduchu (ventil zavřený, přívod vzduchu): pohon musí tlakem vzduchu překonat krouticí moment ventilu a začít se otevírat. Spouštěcí moment vzduchu musí být větší než moment přerušení.
• Vzduchový konec (ventil otevřený, pružina stlačená): točivý moment vzduchu je v nejnižším bodě. Musí být stále větší než moment chodu, jinak se ventil zpomalí a zastaví, než dosáhne otevřené polohy.
• Spuštění pružiny (ventil otevřený, odvzdušnění): pružina začne tlačit ventil zavíraný. Spouštěcí moment pružiny musí být vyšší než moment chodu, jinak se ventil uprostřed zdvihu zastaví.
• Konec pružiny (ventil zavřený, pružina usazená): krouticí moment pružiny je maximální. Koncový moment pružiny musí být dostatečně vysoký, aby ventil zcela dosedl na diferenční tlak.

Častou chybou je kontrola pouze momentu konce pružiny. V mnoha konstrukcích scotch-yoke klesá točivý moment vzduchu o 30 % až 50 % mezi otevřenou a zavřenou polohou. Pokud moment koncového vzduchu klesne pod provozní moment, ventil se během normálního provozu posune do uzavřené polohy a regulátor polohy bude celý den bojovat s pohonem.

Zpracovaný příklad: Dimenzování pneumatického pohonu pro škrticí ventil

Následující výpočet používá ilustrativní hodnoty. Před rozhodnutím o koupi je nahraďte údaji o točivém momentu od vašeho konkrétního výrobce ventilu.

Procesní závod potřebuje automatizovat 6palcový (DN150) pružně usazený škrticí ventil pro izolaci vody. Výrobce ventilu specifikuje vypínací moment 200 N·m , provozní točivý moment 110 N·m a koncový točivý moment 90 N·m při uzavíracím diferenciálním tlaku 10 barů. Dostupné pneumatické napájení je 5,5 baru . Ventil se při ztrátě vzduchu musí zavřít.

1. Požadovaný minimální výkon = 200 N·m × 1,25 = 250 N·m .
2. Selhání zavřeno znamená, že je vyžadován aktuátor s vratnou pružinou a moment konce pružiny musí být alespoň 250 N·m.
3. Kandidátní aktuátor s vratnou pružinou poskytuje: start vzduchu 380 N·m, konec vzduchu 300 N·m, začátek pružiny 160 N·m, konec pružiny 275 N·m, vše měřeno při napájení 5,5 bar.
4. Čtyřbodové ověření je shrnuto v tabulce níže.

Nyní zkontrolujte stejný pohon při sníženém napájecím tlaku 4 bary. Pneumatický výstup se lineárně mění s tlakem: začátek vzduchu se stává 380 × 4 ÷ 5,5 = 276 N·m a konec vzduchu se stává 218 N·m. Hodnoty pružin se nemění. Rozpětí otevření se zmenší ze 180 N·m na 76 N·m, ale konfigurace stále prochází. Toto je správný způsob použití kontroly tlaku: vždy ověřte při minimálním množství, které můžete zaručit, nikoli při jmenovitém tlaku zařízení.

Dimenzování hydraulického pohonu pro vysoký točivý moment a provoz v těsném prostoru

Elektrické a pneumatické pohony přitahují většinu pozornosti v obecných návodech na dimenzování, ale hydraulické pohony nabízejí nejlepší hustotu výkonu ze všech tří technologií. Protože hydraulický systém obvykle běží při 70 až 210 barech místo 3 až 8 barů pro vzduch v rostlině, může kompaktní hydraulický válec produkovat točivý moment, který by vyžadoval mnohem větší pneumatický pohon.

Kroky dimenzování hydraulických pohonů

Při dimenzování hydraulického pohonu jsou důležité dva rozdíly. Za prvé, maximální výkon je nastaven nastavením pojistného ventilu, nikoli maximálním jmenovitým tlakem čerpadla. Za druhé, moment ovladače se vypočítá z efektivní plochy pístu a diferenciálního tlaku na pístu v okamžiku činnosti. Postupujte pozpátku: nejprve zvolte nastavení pojistného ventilu, protože definuje strop točivého momentu, poté dimenzujte dráhu průtoku na požadovanou dobu zdvihu a poté potvrďte, že čerpadlo a motor mohou dodávat průtok.

Komponenty, které doplňují hydraulickou smyčku

V řídicí smyčce se objevuje většina problémů s hydraulickým dimenzováním. Ve standardním balení ventil-pohon, a hydraulický solenoidový ventil přepíná směr proudění pro vysouvání a zasouvání pohonu. A regulační ventil pohonné jednotky upraví průtok tak, aby doba zdvihu zůstala uvnitř procesního limitu. A pojistný ventil pohonné jednotky chrání sedlo ventilu před špičkami točivého momentu omezením maximálního tlaku v systému.

Výrobci pojistných ventilů pohonných jednotek, velkoobchodní továrna - Ningbo Panic Hydrauli Ningbo Panic Hydraulic Technology Co., Ltd je čínský výrobce pojistných ventilů pohonných jednotek a továrna OEM / ODM, specializujeme se na velkoobchodní ... Zobrazit produkt →

Výrobci regulačních ventilů pohonných jednotek, velkoobchodní továrna - Ningbo Panic Hydr Ningbo Panic Hydraulic Technology Co., Ltd je čínský výrobce regulačních ventilů pohonných jednotek a továrna OEM / ODM, specializujeme se na celé ... Zobrazit produkt →

Výrobci solenoidových ventilů, továrna na zásuvné elektromagnetické ventily Ningbo Panic Hydraulic Technology Co., Ltd je Čína výrobci OEM / ODM elektromagnetických ventilů a továrna na zásuvné elektromagnetické ventily, specializujeme se na ... Zobrazit produkt →

Pořadí dimenzování pro sadu hydraulických pohonů je jednoduché. Vypočítejte požadovaný krouticí moment z datového listu ventilu a bezpečnostního faktoru. Převeďte krouticí moment na požadovaný tlakový rozdíl pomocí účinné plochy a momentového ramene pohonu. Nastavte pojistný ventil na hodnotu pohodlně vyšší, než je tento tlak, obvykle o 10 % až 20 % vyšší, aby pohon mohl vyvinout plný krouticí moment bez zvednutí pojistného ventilu. Poté dimenzujte čerpadlo a motor tak, aby průtok stačil k zdvihu ventilu v požadovaném čase. Nakonec se ujistěte, že elektromagnetický ventil má dostatečně velký průtokový koeficient, a nechte regulační ventil doladit rychlost zdvihu.

To vše předpokládá, že rozumíte princip fungování hydraulického systému zejména to, jak spolupůsobí průtok čerpadla, odezva ventilu a zdvih pohonu během rychlého zdvihu. v praxi hydraulické pohonné jednotky jsou relativně snadno ovladatelné ve srovnání s mechanickými pohonnými jednotkami , což je důvod, proč je hydraulické ovládání ventilů běžné u izolačních ventilů s velkým průměrem, vrat tankových farem a těžkých zdvihacích zařízení.

Sedm chyb velikosti, které způsobují selhání pole

Většina poruch pohonu není způsobena vadným výrobkem. Jsou způsobeny neúplným výpočtem ve fázi inženýrství. Těchto sedm chyb se znovu a znovu objevuje v provozních zprávách a záznamech o uvedení do provozu.

1. Dimenzování z momentu chodu místo momentu přerušení. Ventil se obvykle spouští z klidu pod plným diferenčním tlakem, takže vypínací moment je hodnota, která zastaví poddimenzovaný pohon.
2. Dimenzování při jmenovitém napájecím tlaku. Dodávky vzduchu a hydrauliky rostlin kolísají. Pokud je výstup akčního členu vypočítán na 5,5 bar, ale skutečné minimum je 4 bar, může bezpečnostní rezerva zcela zmizet.
3. Dvojnásobné přidání bezpečnostního faktoru. Pokud výrobce ventilu již zahrnuje rezervu ve svém publikovaném momentu zlomu, dalších 25 % navíc může způsobit, že výběr bude o jednu nebo dvě velikosti příliš velký.
4. Předimenzování pro jistotu. Velmi předimenzovaný pohon zabouchne ventil do sedla, ohne vřeteno a způsobí nestabilní ovládání. Marže má pokrýt nejistotu, nikoli absorbovat hrubou operaci.
5. Kontrola pouze konce pružiny aktuátoru s vratnou pružinou. Krouticí moment na vzduchové koncovce v provedení se skotským třmenem může klesnout o 30 % až 50 % a tento nízký bod může být důvodem, proč ventil nikdy nedosáhne svého otevřeného dorazu.
6. Ignorování montážního rozhraní. Správný výpočet krouticího momentu je zbytečný, pokud příruba pohonu neodpovídá rozměrům pohonu vřetene ventilu. Potvrďte rozhraní před objednáním, nikoli během uvádění do provozu.
7. Přeskočení kontroly doby zdvihu. Pohon s velkým točivým momentem může být stále příliš pomalý pro nouzové blokování procesu. Vždy ověřte celou dobu jízdy pomocí řídicího ventilu a přívodního potrubí, které je součástí dodávky.

Kontrolní seznam pro předobjednávku velikosti

Než dokončíte objednávku, projděte si tento kontrolní seznam a před sebou máte datový list ventilu a katalog pohonů. Negativní odpověď na kteroukoli položku znamená, že dimenzování není kompletní.

• Potvrďte prasknutí ventilu, chod a koncový krouticí moment při vašem maximálním diferenčním tlaku a maximální provozní teplotě.
• Použijte zdokumentovaný bezpečnostní faktor minimálně 1,25 a uveďte jej ve specifikaci.
• Definujte bezpečnou polohu a ověřte u jednotek s vratnou pružinou moment konce pružiny i rozběh pružiny.
• Zaznamenejte garantovaný minimální přívodní tlak dostupný na pohonu a velikost pomocí této hodnoty.
• Ověřte velikost montážní příruby ISO 5211 a rozměry pohonu dříku.
• Zkontrolujte dobu plného zdvihu podle procesního požadavku, včetně ztrát solenoidu a vedení.
• Specifikujte veškeré příslušenství: polohovadlo, koncové spínače, solenoidový řídicí ventil, ruční ovládání a místní ukazatel polohy.
• Před schválením objednávky ještě jednou zopakujte ověření utahovacího momentu při minimálním zásobovacím stavu.

Pokud stavíte hydraulickou pohonnou jednotku pro pohon akčního členu, zkontrolujte našeho průvodce kupujícím hydraulické napájecí jednotky AC než se zavážete k velikosti čerpadla a motoru. Požadavek točivého momentu z pohonu se stává požadavkem na tlak a průtok, který musí pohonná jednotka dodat.

Často kladené otázky: Dotazy k dimenzování pohonu ventilů Inženýři se ptají nejvíce

Jaké je pravidlo 25% bezpečnostního faktoru při dimenzování pohonu?

Pravidlo 25 % znamená, že výstupní krouticí moment pohonu musí být alespoň 1,25násobek maximálního publikovaného vypínacího momentu ventilu. Zahrnuje nejistotu měření, stárnutí těsnění a drobné rozdíly mezi testovaným ventilem a dodaným ventilem. Berte to jako podlahu, ne jako cíl. Zvyšte ji na 1,5 nebo vyšší, pokud je proces špinavý, abrazivní nebo kritický z hlediska bezpečnosti.

Proč potřebují pohony s vratnou pružinou čtyřbodovou kontrolu krouticího momentu?

Protože točivý moment se mění s polohou. Točivý moment vzduchu je nejvyšší na začátku zdvihu a nejnižší, když je pružina plně stlačena; moment pružiny je opačný. Jediná katalogová hodnota vám nemůže říct, zda se ventil úplně otevře, úplně zavře a udrží polohu po celý zdvih. To dokážou pouze hodnoty začátku vzduchu, konce vzduchu, začátku pružiny a konce pružiny.

Je předimenzování pohonu škodlivé?

Ano. Rozpětí nad zhruba dvojnásobkem požadovaného momentu zlomu může stlačit sedlo nad jeho konstrukční rozsah, ohnout představec v provedeních s bočním zatížením, způsobit vodní rázy při rychlém zavírání a velmi ztížit ladění regulační smyčky. Cílem je prokázaná pozitivní marže, nikoli největší aktuátor v katalogu.

Jak napájecí tlak ovlivňuje výstupní moment pohonu?

U pneumatických pohonů se výstupní krouticí moment mění téměř lineárně s napájecím tlakem. Pohon produkující 380 N·m při 5,5 barech dodává pouze 276 N·m při 4 barech. U hydraulických pohonů se krouticí moment mění podle diferenčního tlaku na pístu, který je omezen nastavením pojistného ventilu. Vždy dimenzujte na minimální tlak, který systém vydrží.

Jaké údaje o točivém momentu bych měl požadovat od výrobce ventilu?

Požádejte o vypínací moment, provozní moment a koncový moment při maximálním diferenčním tlaku a maximální teplotě pro oba směry průtoku. U lineárních ventilů požadujte zatížení sedla, tření ucpávky a nevyváženou oblast. Zeptejte se také, zda publikované hodnoty již zahrnují bezpečnostní rezervu, abyste nepřidávali druhou rezervu navrch.

Kdy bych měl zvolit hydraulické ovládání před pneumatickým nebo elektrickým?

Hydraulické ovládání zvolte, když je požadovaný krouticí moment velmi vysoký, když je instalační prostor těsný, když je vzduch v rostlině nespolehlivý nebo špatně vysušený, nebo když potřebujete stálou sílu nezávislou na kolísání přívodu vzduchu. Hydraulické systémy jsou také vhodné pro izolační ventily s velkým průměrem, kladkostroje a mobilní zařízení, kde již existuje zdroj hydraulické energie.

Finální velikost

Dimenzování pohonu ventilu je ověřovací smyčka, nikoli vyhledávání v jedné tabulce. Spusťte jej znovu, kdykoli se změní velikost ventilu, tlaková třída, procesní médium nebo napájecí tlak. Zdokumentujte každý vstup – hodnotu momentu zlomu, bezpečnostní faktor, moment na konci pružiny a minimální vstupní tlak, který skutečně zaručujete – a tento soubor uschovejte společně s datovým listem ventilu.

Pohon, který projde všemi čtyřmi kontrolami krouticího momentu při minimálním napájení, splňuje požadovanou dobu zdvihu, pasuje na standardní montážní přírubu a ponechává zdokumentovanou rezervu, je správný. To je celá práce – správně provedená, zabrání nejdražšímu poruchovému režimu v jakémkoli ventilovém systému: té, která se objeví až poté, co je pohon přišroubován a proces běží.