При автоматизации клапана первым действительно важным решением является не выбор марки привода, а выбор пружинный возврат против двойного действия. Оба типа шаровых кранов с четвертьоборотом открываются и закрываются с помощью сжатого воздуха, но ведут себя совершенно по-разному в тот самый решающий момент: при отключении подачи воздуха или электропитания. Правильный выбор обеспечит переход вашего технологического процесса в безопасное состояние; неправильный выбор может привести к тому, что “застрявший” клапан вызовет затопление, избыточное давление или отключение линии в самый неподходящий момент. В данном руководстве объясняется, как работает каждый из типов, и как уверенно сделать выбор между ними.
Как работает пневматический привод
В большинстве автоматизированных шаровых кранов используется пневматический привод с зубчатой рейкой и шестерней. Сжатый воздух толкает два противоположно расположенных поршня; их зубчатые рейки входят в зацепление с центральной шестерней, преобразуя это линейное усилие в поворот на 90°, необходимый для шарика. Привод крепится к крану с помощью стандартного ISO 5211 монтажный фланец, благодаря которому один привод подходит к клапанам различных марок и размеров. Все споры по поводу того, что лучше — пружинный возврат или двойного действия — сводятся к одному конструктивному изменению внутри этого корпуса: приводится ли ход возврата в действие сжатым воздухом или пружиной.
Приводы двойного действия: пневматические в обоих направлениях
Привод двойного действия (DA) использует сжатый воздух для и то, и другое ходы открытия и закрытия через два воздушных порта. Поскольку давление воздуха не встречает сопротивления со стороны пружины, всё давление воздуха преобразуется в полезный крутящий момент — поэтому при одинаковых габаритах привод типа DA обеспечивает более высокий и стабильный крутящий момент, а также имеет более компактную конструкцию. Недостатком является режим отказа: при потере подачи воздуха привод DA просто остаётся в том положении, в котором находился. У него нет встроенного “безопасного” положения. Это делает приводы DA экономичным выбором с высоким крутящим моментом для клапанов, где застрявший в одном положении клапан не представляет опасности и где подача воздуха стабильна.
Приводы с пружинным возвратом (одностороннего действия): встроенная система защиты от сбоев
Привод с пружинным возвратом (SR), или привод одностороннего действия, использует сжатый воздух для одного хода и блок мощных внутренних пружин — для другого. Основным преимуществом является механическая защита от сбоев: в случае потери подачи воздуха или электрического сигнала пружины автоматически перемещают клапан в заранее заданное безопасное положение — либо в положение «закрыто при сбое» (нормально закрытое) для остановки потока, либо в положение «открыто при сбое» (нормально открытое) для сброса давления. Именно благодаря этой пассивной системе безопасности, не требующей электроники, приводы SR широко используются для аварийного отключения в химической, нефтегазовой, пищевой и других отраслях, где высок уровень опасности. Компромиссы: пружина потребляет часть доступного крутящего момента, поэтому привод SR больше и тяжелее, чем привод DA с аналогичной мощностью, а сами пружины изнашиваются при очень большом количестве циклов работы.
Краткое сравнение пружинного возврата и двойного действия
В приведенной ниже таблице представлены основные различия, что позволит вам быстро составить короткий список вариантов.
| Фактор | Двойного действия (DA) | Пружинный возврат (SR) |
|---|---|---|
| Обратный ход осуществляется за счет | Сжатый воздух | Внутренние пружины |
| При отключении питания/потере сигнала | Остается в последнем положении | Перемещается в безопасное положение (FC или FO) |
| Крутящий момент для данного размера | Выше | Меньше (часть уходит на пружину) |
| Размер и вес | Более компактный | Больший размер при том же крутящем моменте |
| Расход воздуха | Воздух на обоих ходах | Воздух подается только при одном нажатии |
| Относительная стоимость | Ниже | Выше |
| Идеально подходит для | Работа в условиях стабильной атмосферы, не связанная с опасностью | Отказоустойчивая система / аварийное отключение |
Как выбрать: пружинный возврат или двойного действия
Принятие решения почти всегда начинается с одного вопроса, а затем процесс уточняется.
1. Что должно произойти в случае сбоя?
Если в случае потери давления или питания клапан должен перейти в известное безопасное состояние, выберите вариант с пружинным возвратом и соответственно определите режим «закрытие при отказе» или «открытие при отказе». Если клапан может безопасно оставаться в текущем положении, подойдет вариант двойного действия — к тому же он дешевле. Этот единственный вопрос безопасности имеет приоритет над всеми остальными.
2. Крутящий момент, размер и бюджет
При одинаковом крутящем моменте приводы DA компактнее и дешевле, что имеет значение при автоматизации большого количества клапанов. Если ограничены пространство и бюджет, а требования к безопасности отсутствуют, преимущество остается за DA. Если вам нужна отказоустойчивость, но при этом требуется высокий крутящий момент, придется рассчитывать на более габаритный привод SR — учитывайте это при подборе размера.
3. Подача воздуха и циклирование
Механизм DA потребляет воздух на обоих ходах, тогда как SR — только на ходу с приводом, что позволяет снизить расход воздуха в клапанах с медленным циклом работы. С другой стороны, при очень высокой частоте циклов работы предпочтительнее использовать DA, поскольку в нем отсутствует пружина, подверженная усталостному износу. Для удаленных станций, работающих в автоматическом режиме, пассивная безопасность SR, как правило, оправдывает более высокую стоимость. Там, где сжатого воздуха нет вовсе, электрический привод с резервным питанием от аккумулятора с функцией защиты от сбоев может обеспечить аналогичную функцию «безопасного положения» с помощью электрических средств.
Правильное составление технического задания
Какой бы тип вы ни выбрали, от нескольких практических деталей зависит, будет ли устройство надежным или нет.
Рассчитайте крутящий момент привода выше момента разблокировки клапана с запасом прочности (обычно 25–50%), чтобы он надежно работал по мере износа седел. Рассчитайте крутящий момент при фактическом давлении в системе — в промышленных системах оно обычно составляет 0,2–0,8 МПа, при этом в качестве стандартного значения для расчета принято значение около 0,55 МПа (≈80 фунтов на квадратный дюйм). Подавайте на привод чистый и сухой воздух, соответствующий признанному классу качества, например ISO 8573-1, поскольку влага и масло являются основными причинами заклинивания соленоидов и приводов. И, наконец, следует перейти на стандартизированные крепления по ISO 5211 и крепления по стандарту NAMUR соленоидный клапан поэтому аксессуары крепятся прямо на него. В приведенной ниже таблице представлены типичные сценарии использования и соответствующие варианты для начала.
| Сценарий | Рекомендуется | Причина |
|---|---|---|
| Аварийное отключение / опасные среды | Пружинный возврат (закрытие при сбое) | Пассивное безопасное состояние при сбое |
| Общий процесс, стабильный воздух | Двойного действия | Более высокий крутящий момент, более низкая стоимость, компактность |
| Удаленная / автономная станция | Возврат весны | Безопасное отключение без вмешательства оператора |
| Автоматизация с очень высокой частотой циклов | Двойного действия | Не подвержен усталости |
| Сжатый воздух отсутствует | Электрический (с резервным питанием от аккумулятора) | Электрический возврат в безопасное положение |
Для полностью автоматизированной сборки наша ассортимент пневматических шаровых кранов пары приводы с зубчатой рейкой и шестерней с соответствующими клапанами, соленоидами и крепежные кронштейны как в конфигурации DA, так и в конфигурации SR.
Распространенные ошибки при выборе приводов
Большинство проблем с приводами, возникающих в эксплуатационных условиях, связаны не с неисправностью самого привода, а с несоответствием исходной технической спецификации. При выборе между приводом с пружинным возвратом и приводом двойного действия следует избегать нескольких типичных ошибок.
Во-первых, расчет на основе каталожного момента затяжки без запаса: по мере приработки и износа седел момент отрыва возрастает, и привод, выбранный без запаса, в конечном итоге заглохнет. Во-вторых, предположение, что клапан двойного действия при отказе “закроется” — это не так; без пружины он просто удерживает положение, поэтому любая линия, требующая безопасного состояния при отказе, с самого начала должна иметь пружинный возврат. Третьим является путаница между режимами «закрытие при отказе» и «открытие при отказе»: пружина приводит клапан в любое указанное вами положение, и перепутать их может быть столь же опасно, как и полное отсутствие системы безопасности при отказе. Наконец, пренебрежение качеством сжатого воздуха незаметно подрывает надежность обоих типов систем — влажный, загрязненный маслом воздух забивает соленоид и привод, независимо от того, насколько правильно был подобран размер агрегата. Убедитесь в правильности логики системы «закрытие при отказе», запасе крутящего момента и качестве сжатого воздуха еще на этапе проектирования, и установка прослужит долгие годы.
Часто задаваемые вопросы
В чём заключается основное различие между пружинным возвратом и двойным действием?
Привод двойного действия использует сжатый воздух для перемещения клапана в обе стороны и удерживает его в заданном положении при потере давления. Привод с пружинным возвратом использует сжатый воздух в одном направлении, а пружину — в другом, благодаря чему он автоматически возвращает клапан в безопасное положение (закрытое или открытое при отказе) при потере давления или питания. Выбор между приводом с пружинным возвратом и приводом двойного действия в основном сводится к решению о выборе режима безопасности при сбое.
Приводит ли привод с пружинным возвратом в исходное положение к меньшему расходу воздуха, чем привод двойного действия?
За один цикл это возможно, поскольку воздух требуется только для одного хода, а возврат обеспечивается пружиной; привод двойного действия потребляет воздух на обоих ходах. Однако пружина принимает на себя часть крутящего момента, поэтому привод с пружинным возвратом должен быть больше, чтобы обеспечить мощность, сопоставимую с мощностью привода двойного действия.
Можно ли сделать клапан двойного действия отказоустойчивым?
Не механически — привод двойного действия не имеет пружины, поэтому в случае отказа он остается в последнем положении. Чтобы обеспечить действительно отказоустойчивое положение, необходим привод с пружинным возвратом или электрический привод с резервным питанием от батареи или конденсатора, который перемещает клапан в безопасное положение.
Какой запас крутящего момента следует предусмотреть?
Выбирайте привод с усилием, превышающим момент отрыва клапана с запасом прочности (обычно 25–50%), и проводите расчеты с учетом фактического давления в системе (обычно в качестве ориентира принимается значение около 0,55 МПа). Это обеспечит надежную работу клапана даже при износе седел и увеличении момента со временем.
Почему качество воздуха имеет значение для приводов?
Влага и масло, содержащиеся в сжатом воздухе, являются одной из основных причин заклинивания и замедления срабатывания соленоидов и приводов. Подача чистого и сухого воздуха, соответствующего признанному классу качества, например ISO 8573-1, с помощью фильтра-регулятора значительно повышает надежность как устройств с пружинным возвратом, так и устройств двойного действия.
Заключение
Выбор между клапанами с пружинным возвратом и клапанами двойного действия, по сути, сводится к тому, как должен вести себя ваш технологический процесс в случае отключения электроэнергии. Выбирайте клапаны с пружинным возвратом, если в случае сбоя клапан должен перейти в безопасное положение; выбирайте клапаны двойного действия для компактных, высокомоментных и недорогих систем автоматизации, где заклинивание клапана не представляет опасности. Затем рассчитайте размер привода с запасом по крутящему моменту, обеспечьте его подачу чистого сухого воздуха и стандартизируйте крепление. Если вам нужна помощь в выборе и расчете приводов — DA или SR — для ваших клапанов, Свяжитесь с нашей командой, чтобы получить индивидуальное предложение.