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Contenido
- 1 Respuesta rápida: La fórmula básica para dimensionar el par de actuadoes neumáticos
- 2 Explicación del par de rotura, par de funcionamiento y par de asiento
- 3 Paso a paso: cómo calcular el par requerido del actuador
- 4 Factores clave que cambian el par de válvula requerido
- 5 Elegir el factor de seguridad adecuado para el tamaño del actuador
- 6 Comparación de la demanda de par entre tipos de válvulas comunes
- 7 Cómo la presión del suministro de aire afecta el par de salida del actuador neumático
- 8 Comparación de actuadores de piñón y cremallera, yugo escocés y de paletas
- 9 Cuando se necesitan cajas de engranajes de válvulas con actuadores neumáticos
- 10 Palanca manual de la válvula de mariposa: control manual y operación de respaldo
- 11 Descripción general del conjunto de actuador, caja de cambios y válvula
- 12 Errores comunes en el tamaño de los actuadores neumáticos que se deben evitar
- 13 Adquisición de actuadores neumáticos y cajas de engranajes de válvulas para proyectos industriales
- 14 Preguntas frecuentes
Respuesta rápida: La fórmula básica para dimensionar el par de actuadoes neumáticos
La respuesta corta es sencilla. El par de salida requerido del actuador debe ser igual o mayor que el par máximo de la válvula multiplicado por un factor de seguridad apropiado, verificado a la presión de suministro de aire mínima esperada. Escrito, esto se convierte en el par de salida del actuado un una presión de suministro mínima que debe ser mayor o igual al par máximo de la válvula multiplicado por el factor de seguridad. La mayoría de las válvulas de cuarto de vuelta, como las válvulas de mariposa, de bola y de tapón, publican una cifra de torsión máxima en la tabla de torsión del fabricante, y esa cifra ya refleja la fricción de apertura, la fricción de funcionamiento a mitad de carrera y la carga de asiento al final de la carrera.
Una vez que se conoce la cifra de par máximo de la válvula, los equipos que trabajan con Actuadores neumáticos aplique un factor de seguridad adecuado a la condición de servicio, luego seleccione un modelo de actuador cuya salida nominal a la presión de aire del instrumento más baja anticipada aún supere ese número objetivo. Las secciones a continuación explican este proceso paso a paso, cubren cómo la selección del factor de seguridad cambia con las condiciones de servicio, explican cómo las cajas de engranajes de válvulas extienden la capacidad del actuador en válvulas más gryes y muestran dónde se encuentra un manual. palanca de mano de la válvula de mariposa encaja en una filosofía de control general.
Explicación del par de rotura, par de funcionamiento y par de asiento
Cada válvula de un cuarto de vuelta pasa por tres fases de torsión distintas a lo largo de su recorrido de noventa grados, y un cálculo que solo tiene en cuenta una de ellas puede dejar un actuador de tamaño insuficiente una vez que llega al campo.
Par de rotura para abrir
Este suele ser el punto más alto de toda la curva de par. Ocurre en el instante en que la válvula comienza a alejarse de una posición completamente asentada, cuando la fricción del asiento está en su punto máximo y la fricción estática aún no ha pasado a fricción dinámica. Las válvulas de mariposa con asiento elástico y las válvulas de bola con asiento blando son particularmente sensibles a este pico, especialmente después de largos períodos de inactividad entre ciclos.
Par de carrera
Una vez que el disco, la bola o el tapón comienzan a girar, la fricción cae de estática a dinámica, y el par necesario para mantener el elemento en movimiento durante la mitad de su recorrido es generalmente menor que el par de apertura. El par de funcionamiento es el número que la mayoría de las personas imaginan cuando piensan en una válvula en movimiento, pero dimensionar un actuador únicamente teniendo en cuenta el par de funcionamiento es un error común que se trata más adelante en esta guía.
Torsión del asiento al final del recorrido
A medida que la válvula se abre o se cierra por completo, el par aumenta nuevamente mientras el elemento de sellado se comprime hasta su posición final de asiento. En condiciones de cierre hermético, este torque de asiento puede acercarse o exceder la cifra de apertura para abrir, lo cual es una de las razones por las que las tablas de torque del fabricante generalmente informan un valor máximo único que cubre el más alto de estos tres puntos.
| Posición de trazo | Fase de par | Nivel de par relativo |
|---|---|---|
| 0 grados | romper para abrir | Alto |
| 10 a 20 grados | Transición | moderado |
| 30 a 60 grados | corriendo | Bajo |
| 80 a 90 grados | Asientos | Alto |
Paso a paso: cómo calcular el par requerido del actuador
El flujo de trabajo de cálculo
- Obtenga el valor de torque máximo para el tamaño exacto de la válvula, la clase de presión y el material del asiento de la tabla de torque del fabricante de la válvula, correspondiente al medio específico y a la condición de operación involucrada.
- Seleccione un factor de seguridad adecuado a las condiciones de servicio, sopesando la frecuencia con la que la válvula realiza ciclos, qué tan limpio está el medio y si el trabajo es de cierre hermético o estrangulación.
- Multiplique el par máximo de la válvula por el factor de seguridad elegido para establecer el par de salida objetivo del actuador.
- Compare esa cifra objetivo con las tablas de torque del actuado un la presión mínima de suministro de aire que el sistema puede entregar de manera realista, no con la presión nominal o máxima de la planta, ya que los recorridos prolongados de aire, los filtros, los reguladores y la demanda simultánea de otros equipos pueden reducir la presión disponible en el actuador.
- Para los actuadores de retorno por resorte, confirme que el resorte por sí solo aún puede impulsar la válvula a su posición a prueba de fallas a lo largo de toda la carrera de noventa grados, no solo cerca del final del recorrido, donde la fuerza del resorte suele ser más fuerte.
- Verifique que las dimensiones del soporte de montaje, el casquillo impulsor y el acoplamiento del vástago coincidan con las de la válvula, ya que una interfaz floja o no coincidente introduce holgura y torsión parásita que no aparecerá en ninguna tabla de torsión.
Ejemplo resuelto, solo ilustrativo
Los números siguientes son cifras redondas que se utilizan únicamente para recorrer la secuencia de cálculo. No son una especificación para ningún modelo de válvula o actuador en particular y no deben aplicarse directamente a un proyecto real sin verificar las tablas de torsión del fabricante.
| paso | Valor |
|---|---|
| Par máximo de la válvula | 150 Nm |
| Factor de seguridad seleccionado | 1.3 |
| Par de salida objetivo del actuador | 195 Nm |
| Presión de suministro mínima esperada | 4,5 bares, aproximadamente 65 psi |
| Regla de selección | Elija el modelo más pequeño con una potencia nominal igual o superior a 195 Nm a 4,5 bar |
Factores clave que cambian el par de válvula requerido
Dos válvulas con el mismo tamaño nominal pueden requerir un par de actuador notablemente diferente una vez que se consideran las condiciones reales de funcionamiento. Ayuda a separar las variables en factores relacionados con la válvula y factores relacionados con la aplicación.
Factores relacionados con la válvula
- Diseño y material del asiento, ya que los asientos blandos y elásticos generalmente crean una mayor torsión de asiento que los diseños con asientos de metal.
- Tamaño de la válvula, porque el par generalmente aumenta con el diámetro nominal a medida que crece el área de contacto del asiento.
- Presión diferencial a través de la válvula, particularmente para válvulas de bola y de macho donde la presión empuja el elemento de sellado con más fuerza contra su asiento.
- Acabado de la superficie del disco o bola y desgaste del asiento que se desarrolla durante la vida útil de la válvula.
Factores relacionados con la aplicación
- Tipo de medio, ya que los fluidos viscosos, abrasivos o cargados de lodo aumentan el par de funcionamiento y aceleran el desgaste.
- Temperatura, porque el calor elevado puede ablandar los sellos, mientras que las condiciones frías pueden endurecer los elastómeros y aumentar el par de rotura para abrir.
- Frecuencia de ciclo, ya que las válvulas que se dejan inactivas durante períodos prolongados pueden desarrollar un par de arranque más alto a medida que el asiento se relaja en una posición fija.
- Alineación de montaje y tolerancia del acoplamiento del vástago, donde un acoplamiento flojo o desalineado agrega fricción parásita que nunca aparece en una tabla de torque de válvula
Elegir el factor de seguridad adecuado para el tamaño del actuador
Existe un factor de seguridad para cubrir la brecha entre un gráfico de torque de válvula producido bajo condiciones de prueba controladas y la fricción, el desgaste y el comportamiento real del asiento que experimenta una válvula después de meses o años de servicio. Elegir un factor de seguridad demasiado bajo corre el riesgo de que el actuador se bloquee y no pueda completar su carrera; elegir uno que sea innecesariamente alto conduce a un actuador más grande y pesado de lo que requiere la aplicación.
Muchos proyectos de automatización de válvulas utilizan rangos de factores de seguridad similares a los siguientes como punto de referencia inicial, luego se ajustan según los datos específicos del fabricante de la válvula y la gravedad del servicio.
| Condición de servicio | Rango típico del factor de seguridad |
|---|---|
| Medios limpios, ciclos frecuentes, servicio estándar | 1,25 a 1,30 |
| Ciclismo poco frecuente o largos períodos de inactividad | 1,30 a 1,40 |
| Medios sucios, abrasivos o viscosos | 1,40 a 1,50 |
| Alto differential pressure or emergency shutdown duty | 1,50 y más |
Rango típico del factor de seguridad por condición de servicio
Orientación ilustrativa sobre el factor de seguridad por condición de servicio; La selección final siempre debe compararse con los datos de torsión específicos del proyecto.
Comparación de la demanda de par entre tipos de válvulas comunes
El área de contacto del asiento es uno de los mayores factores que influyen en la diferencia de par entre los tipos de válvulas. El disco de una válvula de mariposa hace contacto con su asiento a lo largo de una banda relativamente estrecha, lo cual es una de las razones por las que las válvulas de mariposa se usan ampliamente con válvulas compactas. Actuadores neumáticos en la automatización general de plantas. Las válvulas de bola, especialmente los diseños montados en muñón de puerto completo, presionan una superficie de sellado mucho más grande contra el asiento, y las válvulas de obturador generalmente presentan el área de contacto de asiento más grande del grupo, razón por la cual las aplicaciones de válvulas de obturador a menudo necesitan un actuador proporcionalmente más grande para un tamaño de línea comparable.
Demanda de par relativa por tipo de válvula
Comparación relativa ilustrativa utilizando la válvula de mariposa como punto de referencia; El par real depende del tamaño, la clase de presión y el diseño del fabricante.
Cómo la presión del suministro de aire afecta el par de salida del actuador neumático
Un actuador neumático genera torque al permitir que el aire de suministro actúe sobre un área de pistón o paleta, y luego convierte esa fuerza lineal o giratoria en torque del eje a través de un mecanismo de piñón y cremallera, yugo escocés o paleta. Debido a que la fuerza de salida aumenta con la presión de suministro, el par de salida aumenta a medida que aumenta la presión de suministro y cae si la presión de suministro cae por debajo del punto de diseño.
Esta relación es la razón por la que el tamaño del actuador siempre debe compararse con la presión de aire mínima que el sistema puede entregar de manera realista al actuador, en lugar de la cifra de suministro nominal de la planta. Los recorridos largos de aire para instrumentos, los tubos de tamaño insuficiente, la caída de presión del filtro y del regulador y los períodos de alta demanda de aire simultánea en otras partes de la planta pueden reducir la presión en el actuador por debajo del valor que se muestra en un plano de la planta. Para los actuadores con retorno por resorte, la misma lógica se aplica a la inversa en la carrera del resorte, donde el par neumático utilizable aún debe superar tanto el par de la válvula como la precarga del resorte que actúa contra ella.
Tendencia típica del par de salida frente a la presión del suministro de aire
Tendencia ilustrativa simplificada del par de salida del actuador en relación con la presión de suministro para un tamaño de orificio fijo.
Comparación de actuadores de piñón y cremallera, yugo escocés y de paletas
Actuadores de piñón y cremallera
Compactas y ampliamente utilizadas para requisitos de torque pequeños a medianos, las unidades de piñón y cremallera son una opción común de actuador neumático industrial para automatización general de plantas de válvulas de mariposa y de bola. El par de salida es casi constante a lo largo de la carrera, lo que mantiene los cálculos de tamaño relativamente simples.
Actuadores de yugo escocés
Más adecuadas para tamaños de válvulas más grandes y requisitos de torque más altos, las unidades de yugo escocés producen una salida de torque no lineal moldeada por la geometría del yugo. Los diseños de yugo inclinado se pueden adaptar para seguir aproximadamente la propia curva de torque de la válvula, brindando más margen de torque disponible exactamente donde la válvula más lo necesita, cerca de la rotura y cerca del asiento.
Actuadores de paletas
Las unidades tipo paleta convierten la presión del aire directamente en movimiento giratorio sin un mecanismo interno de cremallera y piñón o yugo, lo que brinda una envoltura muy compacta para el torque entregado. A menudo se seleccionan cuando el espacio de montaje alrededor de la válvula es limitado.
Comparación de tipos de actuadores, puntuación ilustrativa
Puntuación relativa ilustrativa únicamente como referencia general; El rendimiento real varía según el fabricante y el modelo.
Cuando se necesitan cajas de engranajes de válvulas con actuadores neumáticos
Para tamaños de válvulas más grandes o clases de presión más altas, el par requerido puede exceder lo que un actuador neumático de tamaño razonable puede ofrecer por sí solo de manera económica o física. En estos casos, se instalan cajas de engranajes de válvula entre el actuador y el vástago de la válvula para proporcionar una ventaja mecánica, multiplicando el par de salida del actuador a través de una reducción de engranajes, comúnmente una unidad reductora de engranajes helicoidales o de engranajes cónicos, antes de que llegue al vástago de la válvula.
Esta disposición permite que un actuador neumático más pequeño y compacto opere una válvula mucho más grande de la que podría accionar directamente. Las cajas de engranajes de válvulas también actúan como un tope mecánico que controla con precisión el recorrido de apertura y cierre de noventa grados, protegiendo tanto el actuador como el asiento de la válvula contra daños por exceso de recorrido. En muchos paquetes de automatización, las cajas de engranajes de válvulas también están equipadas con un eje de entrada de anulación manual, por lo que la válvula aún se puede colocar manualmente durante el mantenimiento, el servicio del actuador o una pérdida temporal del suministro de aire, sin quitar el actuador neumático del conjunto.
Debido a que las cajas de engranajes de válvulas intercambian velocidad por torque, el tiempo de carrera en un conjunto de engranajes suele ser algo más largo que en un actuador montado directamente con un consumo de aire similar, lo que generalmente es una compensación aceptable en grandes proyectos de automatización de válvulas. Hacer coincidir la relación de caja de cambios correcta con el modelo de actuador correcto es una tarea recurrente para los ingenieros que automatizan válvulas de bola y mariposa de gran diámetro en sistemas de tuberías de tratamiento de agua, generación de energía y procesos industriales, y que trabajan con un experto fabricante de caja de cambios de válvulas or proveedor de caja de cambios de válvulas puede ayudar a alinear las relaciones de reducción con los requisitos de torsión específicos del proyecto.
Palanca manual de la válvula de mariposa: control manual y operación de respaldo
Muchas válvulas de mariposa pequeñas y medianas están equipadas con un Válvula de mariposa Hand Lever en lugar de, o junto a, un actuador neumático, particularmente cuando la aplicación no requiere una automatización completa o cuando se desea una anulación manual local junto a una unidad controlada remotamente. Una palanca manual de válvula de mariposa proporciona rotación manual directa del vástago de la válvula a lo largo de la carrera de noventa grados, generalmente combinada con una placa de posición con muescas que permite al operador bloquear la válvula en posiciones abierta, cerrada o en varias posiciones de estrangulación intermedias.
En ensamblajes automatizados, algunos diseños de plantas combinan un actuador neumático para operación remota normal con una palanca manual separada o una caja de cambios equipada con una palanca de anulación, reservada para acceso de mantenimiento, interrupciones del suministro de aire o puesta en marcha, de modo que la posición de la válvula aún se pueda confirmar y ajustar localmente incluso cuando el suministro neumático está aislado. Seleccionar la longitud correcta de la palanca es casi tan importante como la selección del par del actuador en sí, ya que una palanca demasiado corta obliga al operador a aplicar una fuerza manual excesiva para superar el par de apertura, mientras que una palanca más larga ofrece una mejor ventaja mecánica a costa de una mayor huella cerca de la válvula.
Descripción general del conjunto de actuador, caja de cambios y válvula
La siguiente ilustración muestra, en forma isométrica simplificada, cómo un actuador neumático, una caja de engranajes de válvula y una palanca manual se relacionan típicamente con un cuerpo de válvula de mariposa en un paquete de automatización con engranajes.
Ilustración isométrica simplificada; La disposición exacta de los componentes varía según el tamaño de la válvula y el diseño del proyecto.
Errores comunes en el tamaño de los actuadores neumáticos que se deben evitar
- Dimensionamiento en función de la presión de aire nominal de la planta en lugar de la presión mínima que el actuador realmente verá
- Comprobar únicamente el par de funcionamiento y pasar por alto los valores más altos de par de apertura o de asiento
- Suponiendo que un actuador de retorno por resorte tiene suficiente torque de resorte en cada punto de la carrera, en lugar de verificar el recorrido completo
- Aplicar un factor de seguridad genérico a cada válvula independientemente de la condición del medio o la frecuencia de los ciclos.
- Pasar por alto las tolerancias del soporte de montaje, el casquillo de transmisión o el acoplamiento del vástago que agregan fricción parásita
- Forzar un actuador de gran tamaño en una válvula grande en lugar de evaluar las cajas de engranajes de válvulas para obtener ventajas mecánicas
- Ignorar cómo el clima frío o los largos períodos de inactividad entre ciclos pueden aumentar el par de apertura con el tiempo
Adquisición de actuadores neumáticos y cajas de engranajes de válvulas para proyectos industriales
Equipos que investigan un fabricante de actuadores neumáticos or a proveedor de actuadores neumáticos para un nuevo paquete de automatización suelen pesar más que las tablas de torsión por sí solas. La consistencia de los componentes, la precisión del mecanizado y la calidad del ensamblaje influyen en qué tan cerca un actuador terminado coincide con sus cifras de torque publicadas en el campo, lo cual es parte de por qué la experiencia de fabricación detrás de un fábrica de actuadores neumáticos or a fabricante de actuadores de válvulas neumáticas Vale la pena entenderlo antes de finalizar un proyecto.
Ningbo Hawks Auto Parts Co., Ltd. fue fundada en 2004 y tiene su sede en Ningbo, dentro de la región de fabricación industrial de China. La empresa trabaja en investigación y desarrollo, fundición de precisión, mecanizado y ensamblaje de componentes de aleación de aluminio, y presta servicios a sectores que incluyen automatización industrial, control de energía, sistemas de fluidos, equipos marinos y maquinaria en general. Con dos décadas de experiencia en ingeniería y una perspectiva global, Hawks opera como un fabricante totalmente integrado que ofrece soporte integral desde el diseño conceptual hasta el ensamblaje final, relevante para los equipos que evalúan un actuador neumático industrial programa o comparar un fabricante de caja de cambios de válvulas and proveedor de caja de cambios de válvulas para un paquete combinado de actuador y caja de cambios junto con componentes como un Válvula de mariposa Hand Lever .
Preguntas frecuentes
| P1: ¿Qué es un actuador neumático? Un actuador neumático es un dispositivo mecánico que convierte la presión del aire comprimido en movimiento lineal o giratorio, que se utiliza para abrir, cerrar o estrangular una válvula. | P2: ¿Cómo funciona un actuador neumático? El aire comprimido ingresa al cuerpo del actuador y actúa sobre un pistón, paleta o diafragma, y esa fuerza se convierte en rotación del eje o recorrido lineal que mueve la válvula. |
| P3: ¿Para qué se utilizan los actuadores neumáticos? Se utilizan para automatizar la apertura, el cierre y la regulación de válvulas en sistemas de tuberías industriales, incluida la automatización de procesos de tratamiento de agua, energía, marina y en general. | P4: ¿Cuáles son los diferentes tipos de actuadores neumáticos? Las categorías comunes incluyen actuadores giratorios de piñón y cremallera, yugo escocés y de paletas, junto con actuadores de cilindro lineal para válvulas de compuerta y de globo. |
| P5: ¿Qué es un actuador neumático rotativo? Un actuador neumático giratorio produce un movimiento de giro, generalmente a lo largo de una carrera de noventa grados, que se utiliza para operar válvulas de cuarto de vuelta, como válvulas de mariposa, de bola y de macho. | P6: ¿Qué es un actuador neumático de cuarto de vuelta? Describe un actuador giratorio construido para mover una válvula a través de un arco de noventa grados entre las posiciones completamente abierta y completamente cerrada. |
| P7: ¿Qué es un actuador neumático de doble efecto? Un actuador de doble acción utiliza presión de aire para accionar la válvula en las direcciones de apertura y cierre, sin resorte interno para una acción a prueba de fallas. | P8: ¿Qué es un actuador neumático con retorno por resorte? Un actuador de retorno por resorte utiliza presión de aire para impulsar la válvula en una dirección y un resorte interno para devolverla a una posición a prueba de fallas si se pierde el suministro de aire. |
| P9: ¿Cómo sé qué torque necesito para mi válvula? Comience con la cifra de torsión máxima del fabricante de la válvula para su tamaño exacto y clase de presión, luego aplique un factor de seguridad adecuado a su condición de servicio antes de comparar con las tablas de torsión del actuador. | P10: ¿Qué factor de seguridad debo utilizar al dimensionar un actuador? Muchas aplicaciones de servicio estándar utilizan un factor de seguridad en el rango de 1,25 a 1,3, que aumenta hacia 1,5 o más para medios sucios, ciclos poco frecuentes o servicio de alta presión diferencial. |
