Анализиране на основните фактори, влияещи върху изходната сила и въртящия момент на пневматичните задвижващи механизми

В системите за управление на индустриалната автоматизация пневматичните задвижващи механизми са ключовият център за свързване на управляващи сигнали и механично действие. Стабилността на изходящата сила (линеен ход) или въртящ момент (ъглов ход) директно определя надеждността на основните процеси като отваряне и затваряне на клапана и задвижване на устройството. От аварийния спирателен-вентил на химическия завод до управлението на дроселната клапа на общинския тръбопровод, мощността на задвижващия механизъм е основният показател за осигуряване на безопасна работа на системата. Задълбоченият анализ на ключовите фактори, влияещи върху неговата изходна сила и въртящ момент, е в основата на избора и дизайна, както и предпоставка за точен контрол и дългосрочна-експлоатация на оборудването.

I. Основни параметри на източника на енергия: Решаващата роля на въздушното налягане и дебита

Пневматичните задвижващи механизми използват сгъстен въздух като източник на енергия. Същността на неговата изходна мощност е да преобразува енергията на въздушното налягане в механична енергия. Следователно основните параметри на източника на газ директно определят базовото ниво на изходна мощност.

Работното налягане е основният фактор, влияещ върху изходната мощност и въртящия момент. Съгласно основните принципи на хидродинамиката, теоретичната изходна сила на задвижващия механизъм следва формулата F=P×A (F за изходна сила, P за работно налягане, A за прилагане на налягане). На тази база въртящият момент се изчислява чрез комбиниране на дължината на рамото на лоста: въртящ момент=Въздушно налягане × Ефективна площ на буталото × Дължина на рамото на лоста × Механична ефективност. Когато зоната на приложение е фиксирана ефективно, изходната сила и въртящият момент нарастват линейно с работното налягане. Например, някакъв тип задвижващ механизъм произвежда приблизително 200 N·m въртящ момент при 0,6 MPa въздушно налягане. Когато налягането на въздуха се увеличи до 0,8 MPa, въртящият момент може да се увеличи с повече от 30%. Трябва да се отбележи обаче, че повишаването на налягането е ограничено от здравината на цилиндъра и уплътнителните характеристики; превишаването на проектната граница може да доведе до повреда на компонента.

Въпреки че въздушният поток не определя директно максималната изходна мощност, той влияе върху динамичните характеристики на изходната мощност. Недостатъчният поток ще забави скоростта на зареждане на цилиндъра, не само ще удължи времето за реакция, но също така може да доведе до нисък действителен изходен въртящ момент при високо-честотно действие поради недостатъчно налягане. В промишлената практика често е необходимо да се съобрази обемът на цилиндъра на задвижващия механизъм с филтри, предпазни клапани и контролери на потока, за да се осигури стабилно захранване на потока в рамките на често използвания диапазон на налягане от 0,2-0,8 MPa.

ii. Същността на структурния дизайн: работна зона и ефективност на механичната трансмисия

Структурният дизайн на задвижващия механизъм фундаментално определя ефективността на преобразуването на енергията под налягане в механична енергия, което се отразява главно в два аспекта: работна зона под налягане и механичен механизъм за предаване.

Работната зона с различно налягане води директно до различна изходна сила. Това е разликата в производителността между мембранните задвижващи механизми и буталните задвижващи механизми: мембранните задвижващи механизми използват гумена диафрагма като сензор за налягане с обикновено малка ефективна площ и изходна мощност до 1000 N, подходящи само за леки приложения като малки регулиращи вентили; диафрагмените бутални задвижващи механизми използват метално бутало във връзка с цилиндри и могат да бъдат проектирани с големи ефективни мембранни задвижващи механизми с изходяща сила от десетки хиляди, за да отговорят на нуждите на клапани с голям диаметър или повече. При ротационните задвижващи механизми задвижващите механизми с зъбна рейка и зъбно колело използват бутала за задвижване на зъбната рейка, която от своя страна върти предавката. Задвижките на лопатките, от друга страна, разчитат на сгъстен въздух за директно задвижване на лопатките. Първият може да постигне хиляди Nm въртящ момент на въртящия момент спрямо конструктивните предимства на дизайна на рамото на лоста, докато задвижващият механизъм на лопатката е ограничен от площта на лопатката и въртящият момент обикновено не надвишава 500 N·m.

Прецизността и износването на механичния трансмисионен механизъм пряко влияят на ефективността. Идеалната трансмисионна ефективност е 100%, но на практика хлабината на зацепване на предавките, точността на водене на буталния прът и коаксиалността на свързващите компоненти причиняват загуба на енергия. Например, ако коаксиалното отклонение между връзката на задвижващия механизъм и вентила надвишава 0,1 mm, ефективността на предаване на въртящия момент ще бъде намалена с 15%-20%. Дългосрочната употреба, износването на предавките и стареенето на лагерите допълнително ще разширят хлабината на трансмисията, което ще доведе до постоянен спад на изходния въртящ момент при същото входно налягане. Тук трябва да се съсредоточи редовната поддръжка.

Механизмът на връщащия механизъм е специален структурен фактор за задвижващите механизми с еднократно{0}}действие. Предварителното натоварване и твърдостта на пружината ще компенсират частично въздушното налягане; при изчисляването на действителния изходен въртящ момент трябва да се приспадне силата на реакция на пружината. Например задвижващ механизъм с едно- действие с твърдост на пружината от 50 N/mm произвежда сила на реакция от 100 N при ход на компресия от 20 mm, което значително намалява ефективната изходна тяга. Еластичният модул на пружинния материал също ще бъде повлиян от промяната на температурата. Например модулът на еластичност 60 Si2Mn намалява с приблизително 8%, когато температурата надвиши 120 градуса, така че при избора трябва да се включи запас от въртящ момент.

III. Променливи на околната среда и работните условия: от средни характеристики до работно състояние

Условията на околната среда и работното натоварване в промишлена среда са ключови променливи, допринасящи за колебанията в изходната мощност. При статичното изчисление тяхното влияние често се пренебрегва, но то директно определя действителната производителност.

Температурните и диелектричните характеристики влияят главно върху ефективността на уплътняването и работата на компонентите. При ниски температури, увеличаването на увеличения вискозитет на греста увеличава въртящия момент на триене с 10%-30%. В проекта за тръбопровод за природен газ в Арктика греста се втвърдява при -40 градуса, което води до забавяне на задвижващия механизъм; тя беше заменена с нискотемпературна грес на основата на флуороетер и върната към нормална работа. Високите температури могат да ускорят стареенето на уплътненията. След степен CC, уплътнителните характеристики на уплътненията от нитрилен каучук могат да спаднат рязко, причинявайки вътрешно изтичане. Когато течът надвиши 5% от обема на цилиндъра за минута, изходящият въртящ момент намалява с повече от 20%. В корозивна среда, като киселина и основа, корозията на вътрешната стена на цилиндъра и буталния прът ще увеличи устойчивостта на триене, ще намали надеждността на уплътнението и ще увеличи загубата на изходна сила.

Степента на съответствие на характеристиките на натоварване и работните условия е много важна. Изходната сила на задвижващия механизъм трябва да надвишава максималното съпротивление на товара. Изборът трябва да следва ``Принципа на коефициента на безопасност "--съгласно ISO 5211, въртящият момент на задвижващия механизъм трябва да бъде 1,5 пъти по-голям от максималния работен въртящ момент на вентила. Критично оборудване, като например аварийно прекъсващи-вентили, изисква по-високи маржове. Различните клапани имат значително различни характеристики на натоварване: поради високото налягане на уплътняване между сферичните кранове и седлото обикновено се изискват еднакви диаметър и налягане по-висок въртящ момент от дроселовите клапани; фрикционният момент за клапаните с твърдо уплътнение е много по-висок, отколкото за клапаните с меко уплътнение и изисква специални изчисления, когато се изберат, като например диелектрични удари по време на отваряне и затваряне на клапана, което също води до пикови натоварвания, ако задвижващият механизъм няма достатъчно резервен въртящ момент.

IV. ВЪВЕДЕНИЕ Поддръжка и жизнен цикъл: нарастващо въздействие на влошаването на производителността

Изходните характеристики на пневматичните задвижващи механизми не са постоянни. С увеличаването на времето на използване, износването и стареенето на компонентите води до постепенно влошаване на производителността. Качеството на рутинната поддръжка пряко определя продължителността на стабилността на работата.

Пружината и уплътнителят са компонентите, които най-вероятно ще повлияят на изходната мощност. Продължителното-натискане на пружината може да причини деформация от умора. Когато остатъчната деформация надвиши 3% от първоначалната дължина, силата на нулиране е значително намалена, което не само влияе върху надеждността на задвижващите механизми с едно-действие, но също така може да доведе до това, че клапанът не е напълно затворен. В производствената линия на анилин на един химически завод пукнатината от умората на пружината причини внезапно затваряне на клапана, което доведе до скок на налягането в системата, икономически загуби от над 1 милион долара. Износването и разкъсването на уплътнението може да доведе до вътрешни течове и да намали ефективното налягане в цилиндъра. Това изтичане може да бъде трудно за откриване в началото, но ще продължи да води до спад на изходния въртящ момент, което прави проблем за работата на системата.

Редовната поддръжка може ефективно да забави влошаването на производителността. Опитът в индустрията показва, че проверката на свободната дължина на пружината, целостта на уплътнението и смазването след всеки 2000 пуска може да поддържа степента на влошаване на производителността на задвижващия механизъм до по-малко от 5% годишно. Поддръжката включва подмяна на остарели уплътнения, добавяне на специална грес, калибриране на коаксиалността на клапаните и задвижките и отстраняване на примесите от цилиндрите. стойността на изходящия въртящ момент трябва да се проверява редовно за задвижващи механизми, работещи при високи натоварвания. Когато измереният въртящ момент е по-нисък от 80% от номиналната стойност, неизправността трябва да бъде незабавно проучена.

Заключение: Множество фактори си сътрудничат за прецизния контрол.

Изходната мощност и въртящият момент на пневматичен задвижващ механизъм са резултат от множество фактори като параметри на въздушното налягане, структурен дизайн, условия на околната среда и качество на поддръжката. От изчисляване на налягането и зоната на действие въз основа на изискванията за натоварване на етапа на избор, до осигуряване на качеството на въздуха и адаптивност към околната среда по време на работа, до забавяне на влошаването на производителността чрез планирана поддръжка, всяка стъпка пряко влияе върху ефекта на изходната мощност. В промишлената практика е необходимо да се овладее основната изчислителна логика на „въртящ момент=налягане на въздуха * площ * рамо на лоста * ефективност'' и да се обърне внимание на имплицитни влияещи фактори като температура, триене, износване и разкъсване. Пневматичните задвижващи механизми могат да поддържат стабилна и надеждна изходна мощност и да поставят солидна основа за работата на индустриални системи за автоматизация.