Калькулятор расчёта привода запорной арматуры

Для дистанционного управления запорной арматурой используют пневматические и электрические приводы. В данной статье подробно рассмотрим правила подбора пневмоприводов запорной арматуры. А для быстрого расчёта и проверки мы подготовили калькулятор, который позволит без ошибок подобрать нужный привод и покажет графики моментов для визуальной проверки.

Виды пневмоприводов запорной арматуры

Выбор между линейным и поворотным приводом делается в зависимости от используемого типа арматурного клапана – см. таблицу ниже.

Виды пневмоприводов для разных арматурных клапанов

Тип привода	Тип арматурного клапана	Закрыт	Открыт
Линейный Двустороннего действия	Плоская задвижка
	Шиберная заслонка
	Мембранный или поршневой клапан
Поворотный на 90° (четвертьоборотный) Двустороннего и одностороннего действия	Дисковый затвор
	Шаровой кран

Расчёт линейного привода арматуры

Расчет линейного привода делается так же как для обычного цилиндра со штоком: по известной нагрузке определяется диаметр поршня по формуле (без учёта коэффициента запаса):

$$d=2\sqrt{\frac{F}{\pi p}}$$

Ход зависит от размера арматурного клапана. С точки зрения нагрузки при управлении заслонкой или задвижкой цилиндр должен преодолеть только силы трения, и только в случае мембранного или поршневого клапана нужно учитывать еще и силы давления. Обычно рекомендуется по усилию иметь 20%-й запас.

Остальные расчеты не делаются, поскольку линейные приводы для арматуры не имеют встроенного демпфирования, не испытывают боковых нагрузок (усилие потока на заслонку или задвижку на шток цилиндра не передается, а воспринимается направляющими заслонки) и не требуют проверки на устойчивость штока. Потребление воздуха считается как для обычного цилиндра с известным диаметром и ходом.

Расчёт поворотного привода запорной арматуры

При подборе поворотного пневмопривода запорной арматуры в первую очередь следует учитывать следующие нюансы:

1. Тип действия: двустороннего или одностороннего. Подбор привода одностороннего действия осложняется тем, что необходимо проверять как момент привода при прямом ходе (под действием сжатого воздуха), так и при обратном ходе (под действием возвратных пружин).
2. Тип конструкции пневмопривода (рейка-шестерня или кулисный). Конструкция пневмопривода определяет вид характеристики его момента (зависимость крутящего момента от угла поворота), что необходимо сопоставлять с типом арматуры, которой он управляет. Ознакомьтесь подробнее на отдельной странице с внутренней конструкцией поворотных пневмоприводов.

Рассмотрим подробнее учёт обоих этих особенностей.

Подбор привода двустороннего действия

Привод с механизмом рейка-шестерня двустороннего действия на протяжении всего пути имеет постоянный крутящий момент, который определяется площадью поршня (поршней), рабочим давлением и диаметром шестерни, а у шарнирного (кулисного) привода зависимость крутящего момента от угла поворота вала имеет параболическую форму с максимумами в начале и конце хода (см. рис. ниже).

Это объясняется конструкцией системы шарниров, где плечо передачи усилия на вал при его повороте постоянно меняется. Такая кривая примерно повторяет форму характеристики момента для дискового затвора и шарового крана, где она обусловлена изменением силы трения из-за изменения поверхности контакта между уплотнением и диском или шаром, а также воздействием потока рабочей среды. Поскольку у шарового крана поверхность контакта при повороте меняется не так значительно, как у дискового затвора, его характеристика «проваливается» не так сильно. Обычно крутящий момент необходимый для поворота шарового крана, не опускается ниже 60…70% от момента страгивания, который является максимальным. А у дискового затвора необходимый для перемещения момент в диапазоне углов 40…50° (середина хода) может составлять всего 20…30% от максимального.

Поэтому обычно рекомендуется выбирать для шаровых кранов только приводы на базе рейки-шестерни, а для дисковых затворов часто допустимы шарнирные приводы. Во всех случаях рекомендуется 20-40%-й запас по моменту страгивания. Обычно производители арматуры не приводят подробные таблицы/графики зависимости момента от угла и указывают только одно (максимальное) значение момента, которое является моментом страгивания.

Также нужно помнить, что при равных диаметрах поршней шестеренный привод имеет меньший развиваемый момент, чем шарнирный из-за меньшего плеча.

Подбор привода одностороннего действия

Односторонний привод рейка-шестерня

В случае шестеренного привода одностороннего действия процедура выбора сложнее, поскольку крутящий момент по мере поворота меняется из-за сжатия/разжатия возвратных пружин. Еще нужно учитывать снижение максимального крутящего момента в обоих направлениях примерно вдвое, по сравнению с приводом двустороннего действия такого же размера. Это соотношение крутящих моментов при открытии и закрытии клапана сохраняется и при изменении рабочего давления за счет изменения числа возвратных пружин. Сама же характеристика момента представляет собой две пересекающиеся прямые: для прямого хода и обратного под действием пружин.

В каталогах производителей эти характеристики задаются максимальными и минимальными значениями обоих моментов. Т.к. один и тот же типоразмер привода может комплектоваться разным количеством пружин, то по мере увеличения количества пружин растёт и рекомендуемое рабочее давление привода. Давление и количество пружин выбираются таким образом, чтобы момент привода (рабочий ход) и момент пружин (обратный ход) были максимально близки в противоположных положениях.

На рисунке показана вырезка из каталога производителя, где подсвечено рекомендуемое давление в зависимости от количества пружин.

Далее расчёт заключается в том, чтобы в каталоге найти привод, у которого минимальные значения момента привода и момента пружин (у привода момент минимален при угле 90°, а у пружин наоборот в 0°) будут на 20%-40% выше требуемого момента страгивания.

Односторонний кулисный привод

Аналогичный подход используется при выборе шарнирного привода одностороннего действия. Разница лишь в том, что для построения кривой крутящего момента для таких приводов в каталоге, кроме максимального и минимального (угол 0° и 90°), дается еще значение для угла 45° или 50°. Значения приводятся для нескольких уровней давления и соответствующих им наборов пружин.

Учёт присоединительных размеров арматуры

После подбора привода по усилию необходимо осуществить проверку возможности установки привода на арматуру с точки зрения присоединительных размеров. Проверке подлежат следующие размеры:

• размер фланца по стандарту ISO 5211
• размер квадрата вала арматуры
• высота вала арматуры

Перечисленные размеры должны совпадать на приводе и на арматуре. Если один или несколько присоединительных размеров не совпадают, используют дополнительные монтажные принадлежности (втулки, переходные мосты и удлинители).

Потребление воздуха приводами арматуры

Поскольку для приводов на четверть оборота в обозначении редко указывается диаметр поршня и его ход, подсчитать потребление воздуха сложно. Если этих данных нет в каталоге, то расчет можно сделать приблизительно, оценив диаметр и ход поршня по приведенным габаритным или присоединительным размерам. Поскольку для развития требуемого крутящего момента приводу арматуры одностороннего действия требуется больший диаметр поршня, чем приводу двустороннего действия, потребление воздуха за рабочий цикл у обоих типов приводов примерно одинаковое. По этой же причине при переходе с привода двустороннего действия на привод одностороннего действия может увеличиться размер фланца, с помощью которого привод крепится на клапане.

Выбор распределителя для управления приводом

Выбор распределителя для привода арматуры часто ограничивается функцией (3/2, 5/2 или 5/3) и управлением (одно- или двустороннее, первое используется чаще), поскольку размер, а значит расход, диктуется стыковой поверхностью на корпусе привода. Имеется два размера стыковой поверхности с расстоянием 24 и 40 мм между отверстиями каналов 2 и 4 распределителя, а резьба в них соответственно 1/4" и 1/2". Эти типоразмеры обозначаются как NAMUR и NAMUR 2 соответственно. Монтируемые на них полустыковые распределители по стандарту NAMUR имеют расход примерно 900-1000 и 3000 л/мин. На небольших приводах встречается вариант стыковой поверхности с резьбой 1/8" вместо 1/4", а на более крупных 3/8" вместо 1/2". У самого распределителя в каналах 2 и 4 резьбы нет.

Большинство распределителей по стандарту NAMUR поворотом стыкового уплотнения на 180° превращаются из 3/2 в 5/2 и наоборот. Если требуется использовать распределитель другого типа, стоящий отдельно от привода, то его выбор и расчет проводится по тем же принципам, что и для распределителей обычных пневмоцилиндров. Тогда в каналы на стыковой поверхности привода устанавливают штуцеры, и распределитель подключается с помощью шлангов. Шлангов обычно два, даже в случае использования 3/2-распределителя – вторым шлангом пружинные полости привода для лучшей защиты от окружающей среды сообщаются с выхлопным каналом 3.

Реализация продувки пружинных полостей привода выхлопным воздухом

При установке 3/2-распределителя по стандарту NAMUR на стыковую поверхность привода такая вентиляция пружинных полостей делается автоматически. Это позволяет увеличить срок службы привода даже в неблагоприятных условиях. Но такая вентиляция пружинных полостей не позволяет использовать классическую схему независимой регулировки скорости - по дросселю в каналах 1 и 3, т.к. можно получить не замедление, а ускорение поршня. Здесь нужно оставить 5/2-распределитель и дроссели в каналах 3 и 5.

И конечно, при выборе распределителя для привода арматуры часто особое внимание обращают на искро- и взрывозащиту, а также уровень надежности (сертификаты SIL = Safety Integrity Level).

Блоки датчиков и позиционеры

Приводы дополнительно могут дополняться блоками концевых выключателей (БКВ) для контроля положения приводов. Для плавного регулирования положения (занятие промежуточной позиции) используют позиционеры.

Доверьтесь профессионалам

Мы подробно описали процесс подбора пневмопривода для запорной арматуры и подготовили удобный калькулятор. Несмотря на это, без большого опыта у пользователя всё равно могут возникнуть вопросы и трудности при подборе. Чтобы избежать ошибок при подборе, а также сэкономить своё время и деньги, вы всегда можете обратиться за консультацией к нашим специалистам. Наши профессиональный инженеры имеют богатый опыт в области пневмоавтоматики и запорной арматуры, поэтому мы с удовольствием осуществим подбор необходимого оборудования для вашей задачи абсолютно бесплатно и в сжатые сроки. Свяжитесь с наши любым удобным способом.

© По материалам книги "Проектирование и обслуживание пневматических систем", Сулига С.В. , 2021 г. согласно лицензионному договору с ООО "Би Энд Би Инжиниринг". Копирование запрещено.