Что такое четвертьоборотные приводы
Электропривод четвертьоборотный
ООО «ИнжТехКомплект» осуществляет оперативные поставки техники для инженерных сетей различного уровня сложности. Мы предлагаем приобрести четвертьоборотные электроприводы. Вся техника сертифицирована и соответствует отечественным стандартам качества.
Электропривод четвертьоборотный: ассортимент, назначение, особенности выбора оборудования
В нашем каталоге представлено несколько видов электроприводов. В их числе:
Здесь вы найдете оборудование известных отечественных и зарубежных брендов: AVK, ABRA, Tecofi, Dendor, Genebre, Zetkama, ЛАЗ и пр.
Основное назначение четвертьоборотных электроприводов — это управление трубопроводной арматурой, которая имеет четвертьоборотный затворный орган (затворы, шаровые краны, задвижки и т. п.). Такое оборудование устанавливается в разнообразных инженерных сетях, в том числе в системах отопления и горячего/холодного водоснабжения. Это позволяет добиться автоматизации процессов и облегчает контроль над техникой.
В процессе выбора оборудования необходимо обратить внимание на следующие детали:
Мы предлагаем качественные четвертьоборотные электроприводы по конкурентным ценам. Помогаем с подбором оборудования и предоставляем консультационную поддержку. Заказанная техника оперативно доставляется по территории Санкт-Петербурга или до транспортной компании.
Хотите оформить заказ или получить дополнительную информацию? Обратитесь к менеджеру компании по контактному телефону!
Привод четвертьоборотной арматуры
Владельцы патента RU 2600027:
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к приводам четвертьоборотной арматуры. Привод четвертьоборотной арматуры содержит корпус, на котором размещено устройство, создающее крутящий момент. В корпусе установлен передаточный механизм, обеспечивающий передачу крутящего момента от вала (2) устройства, создающего крутящий момент, к валу (13) затвора. Передаточный механизм выполнен в виде четырехзвенного механизма. Первый рычаг (5) передаточного механизма с одной стороны закреплен в корпусе с возможностью вращения и связан с приводным устройством, с другой стороны шарнирно связан с одной из сторон шатуна (8). Шатун с другой стороны связан с одной из сторон второго рычага (11), с другой стороны второй рычаг закреплен в корпусе с возможностью вращения и связан с валом затвора. Длина плеча первого рычага меньше длины плеча второго рычага. Первый рычаг совершает четверть оборота, а второй совершает больше четверти оборота, но не более оборота. Достигается повышение максимального передаточного отношения. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к приводным устройствам для передачи крутящего момента исполнительным механизмам или их элементам, в частности для закрывания и открывания затворов (поворотных элементов) четвертьоборотной арматуры, например, шаровых кранов, поворотных заслонок, клапанов и т.п.
Известны конструкции привода затворов запорной или запорно-регулирующей арматуры, в которых вращательное движение от электродвигателя или маховика ручного привода преобразуется в поступательное движение затвора, и которые имеют переменное передаточное отношение за счет применения для перемещения затвора шарнирно-рычажных механизмов. Например, изобретение «Привод затвора» (Авторское свидетельство СССР №369332, F16K 31/44, опубликовано 08.11.1973). Или изобретение «Actuator apparatus for operating and locking control valve and method for its use» (Патент США 7708254, F16K 31/44, опубл. 04.05.2010).
Недостатком таких устройств является сложность конструкции, обусловленная большим числом шарнирных соединений, а также большие размеры устройств.
Известны также приводы, в которых используется преобразование управляющего осевого (поступательного) усилия во вращательное перемещение затвора запорной арматуры.
Известны приводы, которые преобразуют момент, создаваемый рычагом управления, включая момент, создаваемый электродвигателем, во вращательное перемещение штока (вала) арматуры посредством планетарных передач, увеличивающих передаточное отношение механизма для преодоления возникающих в арматуре сил.
Известно изобретение, в котором привод запорного органа трубопроводной арматуры содержит размещенную в корпусе силовую трансмиссию на базе плюсового планетарного редуктора. Силовая трансмиссия включает установленный на подшипниках в корпусе эксцентриковый входной вал-водило, которой соединен с выходным валом управляемого электропривода (электродвигателя). В корпусе закреплены входное центральное неподвижное зубчатое колесо с внутренними зубьями, выходное центральное подвижное зубчатое колесо с внутренними зубьями, соединенное с выходным неполноповоротным валом, и установленный на сферическом подшипнике на валу-водиле двухвенцовый блок сателлита. (Патент РФ №2196928, F16K 31/04, F16K 31/53, опубл. 20.01.2003).
Указанное изобретение обеспечивает пропорциональность габаритов привода и получение коэффициента передачи в широком диапазоне, но основным недостатком приводов с передаточным механизмом на базе зубчатых передач является постоянство передаточного отношения, что приводит к необходимости использования двигателя с повышенным развиваемым моментом для обеспечения начала движения привода в моменты открытия и закрытия затвора запорной арматуры и, соответственно, к увеличению веса и габаритов устройства, повышению его стоимости.
Конструкции передаточных механизмов рассмотренных приводов не обеспечивают возможность создания (развитие) выходного крутящего момента, значительно изменяющегося по величине на рабочем ходе затвора (поворотного элемента) и достигающего максимальных значений в крайних положениях поворотного элемента арматуры.
Известны приводы, имеющие увеличенный момент страгивания (момент необходимый для обеспечения начала движения запорного элемента), в которых большую часть пути запорный (поворотный) элемент проходит с высокой скоростью при малом крутящем моменте и лишь при уплотнении затвора или в начальной фазе открытия привод переключается на низкую скорость, развивая при этом большой крутящий момент.
Например, в изобретении «Valve actuator system for initial torque reduction» (Патент США №5507469, F16K 31/53, опубл. 16.04.1996) предлагается механический привод поворотного клапана, состоящий из кривошипа, жестко связанного с валом (штоком) затвора, цилиндрической шестерни, свободно вращающейся на валу, и жестко связанного с рычагом управления зубчатого сектора, сидящего на оси кривошипа. В начале открытия клапана момент, создаваемый рычагом управления, усиливается благодаря тому, что зубчатый сектор обкатывается по шестерне. Когда сектор доходит до упора, зубчатая пара шестерня-сектор начинают работать как общее звено и передают момент на вал затвора от рычага без усилия.
Недостатками указанной конструкции является ступенчатое изменение передаточной функции, что может создавать ударные нагрузки в передаточном механизме при работе, например, от электродвигателя, и то, что предлагаемый механизм создает увеличенный момент на запорном элементе только в одном из крайних положений запорного органа.
В изобретении «Двухскоростное приводное устройство» (Авторское свидетельство СССР 323989, F16H 1/28, опубл. 23.09.1981), которое предназначено для передачи крутящего момента исполняющим механизмам или их элементам, в частности, для закрывания и открывания трубопроводной арматуры, в особенности арматуры больших условных проходов. В известном приводном устройстве используется передаточный механизм, размещенный в корпусе и приводимый в действие, например, двумя электродвигателями, установленными на корпусе, один из электродвигателей предназначен для создания крутящего момента, а второй электродвигатель вспомогательный. Передаточный механизм, обеспечивает передачу крутящего момента от выходного вала (шлицевого вала) приводного механизма (основного электродвигателя), создающего крутящий момент, на вал поворотного элемента арматуры (шпиндель арматуры).
Основной электродвигатель, создающий крутящий момент, соединен с входным валом передаточного механизма, который в рассматриваемом устройстве выполнен в виде комбинированной червячно-планетарной передачи, и обеспечивает быстрое вращение этого вала (быстроходный вал передаточного механизма), с другой стороны передаточный механизм через свой выходной вал связан с валом поворотного механизма (шпинделем арматуры). Выходной вал передаточного механизма (тихоходный вал передаточного механизма) обеспечивает передачу большого крутящего момента при медленном вращении на шпиндель арматуры.
В рассматриваемом приводном устройстве вспомогательный двигатель предназначен для создания приводом повышенного крутящего момента, необходимого для уплотнения (разуплотнения) затвора.
Существенными недостатками известного изобретения являются сложность конструкции, включающей комбинированную червячно-планетарную передачу, необходимость обеспечения совместного управления основным и вспомогательным электродвигателями, а также значительные габариты приводного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Non-collinear valve actuator» (Патент США 8322685, F01B 9/00, F16K 31/12, F16K 31/44, опубл. 04.12.2012), которое применяется для регулирования потока в четвертьоборотных клапанах, в которых для передачи движения от приводного механизма к затвору запорной арматуры также используется рычажный механизм. Четвертьоборотный привод затвора, представляющего собой клапан для регулирования потока, состоит из корпуса, в котором расположены рычажный и приводной механизмы, при этом приводной механизм может быть выполнен электрическим, пневматическим, гидравлическим или ручным. Затвор запорной арматуры и приводной механизм связаны между собой рычажным механизмом. Рычажный механизм содержит первый рычаг, к одному из концов которого прикладывается поступательное усилие от приводного механизма, другой конец первого рычага шарнирно связан с одной стороной шатуна (связующего элемента). Вторая сторона шатуна шарнирно связана с одним из концов второго рычага, другой конец второго рычага связан со шпинделем затвора запорной арматуры.
Недостатком рассмотренного привода, обеспечивающего преобразование управляющего осевого (поступательного) усилия во вращательное перемещение выходного звена является необходимость создания существенных осевых усилий для создания больший моментов на запорном элементе и то, что предлагаемый механизм создает увеличенный момент только в промежуточном положении запорного органа.
Использование четырехзвенного рычажного механизма в качестве передаточного механизма в приводе для передачи крутящего момента от приводного устройства, создающего крутящий момент, к поворотному элементу четвертьоборотной арматуры обеспечивает существенное снижение габаритов передаточного механизма и упрощение конструкции привода за счет отказа от использования червячной или зубчатой передачи.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение силовых характеристик известного четвертьоборотного привода.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение крутящего момента, значительно изменяющегося по величине на рабочем ходе поворотного элемента арматуры и достигающего максимальных значений в крайних положениях поворотного элемента арматуры.
Указанный технический результат достигается за счет того, что привод для четвертьоборотной арматуры включает корпус, устройство, создающее крутящий момент (приводное устройство), размещенное на корпусе, передаточный механизм, размещенный внутри корпуса. Передаточный механизм выполнен в виде четырехзвенного механизма. Четырехзвенный механизм (шарнирный четырехзвенник) включает первый рычаг, закрепленный с одной стороны в корпусе с возможностью вращения и связанный с валом устройства, создающего крутящий момент, а с другой стороны первый рычаг шарнирно связан с одной из сторон связующего элемента. С другой стороны связующий элемент шарнирно связан с одной из сторон второго рычага, а другая сторона второго рычага закреплена в корпусе с возможностью вращения и связана с валом поворотного элемента арматуры.
Важным условием для обеспечения работы такого рычажного механизма является соблюдение соотношения, при котором длина плеча первого рычага короче длины плеча второго рычага, настолько, что первый рычаг совершает четверть оборота, а второй рычаг совершает больше четверти оборота, но не более оборота.
Длины плеч рычагов рассчитываются и могут подбираться исходя из требуемых силовых характеристик передаточного механизма и требуемого диапазона изменения передаточной функции на полном ходе (четверть обороте) вала поворотного элемента арматуры.
В качестве устройства, создающего крутящий момент (приводного устройства), могут быть использованы любые преобразователи, создающие на выходе требуемый для обеспечения работы привода крутящий момент. Это могут быть, например, электрический, гидравлический, пневматический или электромагнитный двигатели, или, ручной привод, а также любое другое приводное устройство, например электромеханический привод с редуктором и электродвигателем или подобное.
Выполнение передаточного механизма в приводе для четвертьоборотной арматуры в виде четырехзвенного рычажного механизма, обеспечивающего передачу крутящего момента от вала устройства, создающего крутящий момент, на вал поворотного элемента четвертьоборотной арматуры со значительным усилением, обеспечивающим рабочий ход поворотного элемента, позволило обеспечить как минимум трехкратную разницу между моментом, развиваемым приводным устройством, создающим крутящий момент, и моментом, развиваемым передаточным механизмом на краях диапазона перемещения вала, передающего крутящий момент на поворотный элемент арматуры.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами:
Фиг. 1. Общий вид предлагаемого привода для четвертьоборотной арматуры;
Фиг. 2. Разрезы по А-А и Б-Б;
Фиг. 3. Положение рычагов при закрытой арматуре;
Фиг. 4. Промежуточное положение между закрытой и открытой арматурой;
Фиг. 5. Положение рычагов при открытой арматуре;
Фиг. 6. Зависимость момента на поворотном элементе от его углового положения;
Фиг. 7. Схема четырехзвенного механизма.
Привод четвертьоборотной арматуры включает устройство 1, создающее крутящий момент (приводное устройство), выполненное в виде, например, электродвигателя, но это также могут быть или гидравлический, или пневматический или электромагнитный двигатели, или, например, ручной привод, содержащий колесо или рычаг ручного управления. Выходной вал 2 устройства 1, создающего крутящий момент, соединен с передаточным механизмом 3, размещенным в корпусе 4, при этом устройство 1, создающее крутящий момент, расположено на корпусе 4.
Передаточный механизм 3 выполнен в виде четырехзвенного механизма и включает первый рычаг 5, закрепленный в корпусе 4 с возможностью вращения, например, посредством подшипников 6, при этом рычаг 5 одним концом через отверстие корпусе 4 соединен, например, посредством муфты 7 с выходным валом 2 устройства 1, создающего крутящий момент. Другим концом рычаг 5 шарнирно связан с одним из концов связующего элемента, в данном случае, шатуна 8, например, посредством пальцев 9, установленных на подшипниках 10 в отверстии на конце рычага 5. Другой конец шатуна 8 шарнирно связан с рычагом 11, например, посредством пальцев 9, установленных на подшипниках в отверстии на конце рычага 11. Рычаг 11 закреплен в корпусе 4 с возможностью вращения, например, посредством подшипников 12. Через отверстие в корпусе 4 на другом конце рычаг 11 связан с входным валом 13 (шпинделем) поворотного элемента, например, затвора или клапана, арматуры.
Длины плеч рычагов 5 и 11, длина плеча шатуна 8 и расстояние между осями вращения рычагов 5 и 11 влияют на передаточную функцию.
Диапазоны вращения рычагов 5 и 11 определяются согласно ниже приведенным зависимостям, исходя из необходимой величины передаваемых моментов, реакций, возникающих в шарнирах, из их конструкции. При этом для определения указанных длин плеч фиксируется один из расчетных параметров, а затем остальные параметры подбираются с использованием приведенных ниже зависимостей.
Для расчета размеров предлагаемого механизма используются следующие расчетные зависимости: Функция угла поворота β от начального угла α имеет вид:
Передаточная функция i(α), как отношение приращения угла β к приращению α, есть первая производная от функции угла поворота:
Длина плеча а рычага 5 выбирается исходя из конструкционных соображений в зависимости от величины передаваемых крутящих моментов и реакций, возникающих в шарнирах, исходя из их конструкции и т.д.
Длина плеча с рычага 11 выбирается больше длины плеча а рычага 5, поскольку рычаг 11 совершает четверть оборота, в то время, как рычаг 5 совершает больше четверть оборота, но не более оборота.
Один из предпочтительных вариантов использования предлагаемого изобретения можно получить, если применить в приводе четвертьоборотной арматуры систему управления устройством 1, создающим крутящий момент, в качестве которого взят, например, электродвигатель (на фиг. система управления не показана), получающую сигналы от датчика углового положения ротора и датчиков тока электродвигателя для получения информации о развиваемом моменте или от датчика момента, установленном на выходном вале 2 электродвигателя перед передаточным механизмом 3, или после передаточного механизма 3 на входном вале 13 поворотного элемента. На основе сигналов от датчиков система управления подает команды на управление электродвигателем, причем алгоритм работы системы управления должен учитывать изменение передаточной функции передаточного механизма 3 таким образом, чтобы избегать создания избыточного момента электродвигателем, путем ограничения развиваемого момента на участках, где передаточная функция велика.
Выходной вал 2 устройства 1, создающего крутящий момент, связанный с рычагом 5, передает ему вращение. В исходном положении, при котором система рычагов 5 и 11 и шатуна 8 находится в положении, равном или близким к «мертвой точке», когда проекция вектора силы, возникающей в пальце 9, соединяющим рычаг 5 и шатун 8, на линию передачи усилия от рычага 5 к рычагу 11 будет стремиться по своему значению к бесконечности, т.е. развиваемое усилие, направленное вдоль шатуна 8 будет достаточно велико и, таким образом, передаточное отношение механизма тоже будет достаточно велико. По мере поворота рычага 5 вокруг своей оси передаточное отношение между рычагом 5 и рычагом 11 будет уменьшаться (фиг. 4 и график 7 на фиг. 6).
В процессе перехода рычага 11 в положение, соответствующее положению «открыто», проекция вектора силы, возникающей в пальце 9, соединяющим рычаг 5 и шатун 8, на линию передачи усилия от рычага 5 к рычагу 11 начнет снова возрастать, при этом передаточное отношение между рычагом 5 и рычагом 11 будет также увеличиваться.
При закрывании арматуры работа предлагаемого передаточного механизма 3 будет происходить в обратном порядке аналогично рассмотренной.
На фиг. 6 приведены примеры зависимости момента на поворотном элементе арматуры от углового положения.
На фиг. 6 график 1 показывает известную типовую (обобщенную) зависимость момента на поворотном элементе арматуры от углового положения. Для надежного страгивания поворотного элемента арматуры приводной механизм должен обеспечивать момент, превышающий требуемый момент, возникающий на остальном ходе поворотного элемента. Момент страгивания в большинстве случаев действует на ходе не более 10° и требуется, чтобы он превышал момент, необходимый для движения на остальном ходе, например, шарового крана более чем в 3 раза.
На графике 2 (фиг. 6) показан развиваемый момент привода с постоянным передаточным отношением, необходимый для страгивания (начала движения) поворотного элемента арматуры. Для обеспечения открытия поворотного элемента арматуры необходимо приложить момент, превышающий момент страгивания, что и иллюстрирует график 2.
На графике 3, 4 (фиг. 6) показан развиваемый момент привода с постоянным передаточным отношением, с обеспечением коэффициентов запаса 1,3 и 1,5 по развиваемому моменту. На графиках 3, 4 (фиг. 6) можно увидеть, что развиваемый момент привода с постоянным передаточным отношением передаточного механизма на участках, кроме участка страгивания, существенно больше, чем требуется для надежного поворота поворотного элемента.
На графике 5 (фиг. 6) показана кривая момента с коэффициентом запаса 1,3 по отношению к моменту, возникающему на поворотном элементе арматуры. На графике 6 (фиг. 6) показана кривая момента с коэффициентом запаса 1,5.
Предлагаемый передаточный механизм имеет переменную передаточную функцию, обобщенно показанную на графике 7 (фиг. 6), из которого следует, что в полностью закрытом состоянии поворотного элемента арматуры, в котором требуется обеспечить момент страгивания, предлагаемый передаточный механизм имеет повышенное по сравнению с известными устройствами максимальное передаточное отношение и может развивать повышенный максимальный крутящий момент, а также может развивать повышенный момент в полностью открытом состоянии поворотного элемента.
1. Привод для четвертьоборотной арматуры, характеризующийся тем, что включает устройство, создающее крутящий момент, размещенное на корпусе, внутри которого размещен четырехзвенный передаточный механизм, первый рычаг которого с одной стороны закреплен в корпусе с возможностью вращения и связан с валом устройства, создающего крутящий момент, с другой стороны первый рычаг шарнирно связан с одной из сторон связующего элемента, а другая сторона связующего элемента шарнирно связана с одной из сторон второго рычага, при этом другая сторона второго рычага закреплена в корпусе с возможностью вращения и связана с валом поворотного элемента арматуры, причем длина плеча первого рычага короче длины плеча второго рычага, при этом первый рычаг совершает четверть оборота, а второй рычаг совершает больше четверти оборота, но не более оборота.
2. Привод для четвертьоборотной арматуры по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве устройства, создающего крутящий момент, включает электрический двигатель.
3. Привод для четвертьоборотной арматуры по п. 1, характеризующийся тем, что включает пневматический двигатель.
4. Привод для четвертьоборотной арматуры по п. 1, характеризующийся тем, что включает гидравлический двигатель.
5. Привод для четвертьоборотной арматуры по п. 1, характеризующийся тем, что включает электромагнитный двигатель.
6. Привод для четвертьоборотной арматуры по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве устройства, создающего крутящий момент, включает ручной привод.
Что такое четвертьоборотный привод
Четвертьоборотные пневмоприводы одно- и двухстороннего действия: выбор, особенности конструкции, сравнение
Подавляющее число производственных предприятий при организации того или иного технологического процесса сталкивается с задачами по управлению, перекрытию и перераспределению потоков различных жидких и газообразных сред (вода, воздух, пар, масла, нефтепродукты, молоко, квас, моющие растворы и т. д.).
Рисунок 1 — Шаровой клапан с пневмоприводом
Одними из самых известных устройств воздействия на поток среды являются шаровые краны и дисковые затворы. Они получили широкое распространение благодаря простоте и надёжности конструкции, а так же их невысокой стоимости. Объединяет эти типы запорной арматуры способ управления – для открытия и закрытия требуется поворот запорного органа на 90°. Поворот, как правило, осуществляется одним из трёх способов: вручную, с помощью пневмопривода или с помощью электропривода.
В данной статье сконцентрируемся на особенностях использования пневмоприводов, оставив электроприводы и ручной способ управления за рамками повествования.
Как уже упоминалось, открытие и закрытие клапанов (затворов) требует поворота запорного органа на 90°, т. е. на ¼ полного оборота, поэтому пневмоприводы обеспечивающие такое вращательное движение называют четвертьоборотными. Они делятся на две большие группы: одностороннего и двухстороннего действия.
Пневмоприводы двухстороннего действия используют энергию сжатого воздуха как для открытия затвора, так и для его закрытия. В отличии от них, пневмоприводы одностороннего действия требуют сжатого воздуха только для открытия затвора, закрытие же осуществляется под действием возвратных пружин.
Примечание. Как правило, пневмоприводы одностороннего действия могут быть смонтированы в двух положениях. В одном из них пружины будут закрывать присоединённую арматуру, а в другом открывать её. Далее мы будем считать что используется монтажное положение, в котором пружины работают на закрытие.
1. Конструкция пневмопривода для регулирующих клапанов
На Рисунке 2 показана конструкция пневматического привода VALMA одностороннего действия PNA-SA. Ступица 1, передающая крутящий момент на присоединённую арматуру закреплена на валу-шестерне 2. В собранном пневмоприводе данный вал-шестерня находится в постоянном зацеплении с двумя зубчатыми рейками 3, закреплёнными на поршнях 4. Поскольку эти элементы являются основными деталями конструкции, отвечающими за передачу крутящего момента, они легли в основу её названия – пневмоприводы с механизмом шестерня-рейка.
Рассмотрим работу пневмопривода одностороннего действия.
Рисунок 2 показывает исходное положение пневмопривода – поршни расположены максимально близко друг к другу, давление в обоих камерах пневмопривода одинаково и равно атмосферному.
Для открытия пневмопривода (Рисунок 3) необходимо подать сжатый воздух в камеру А (между поршнями). Это приводит к раздвижению поршней и повороту вала-шестерни против часовой стрелки. При этом происходит сжатие возвратных пружин (номер 5 на Рисунке 2), а воздух из камеры B свободно сбрасывается в атмосферу.
Рисунок 2 – Конструкция пневмопривода с механизмом шестерня-рейка
Для закрытия пневмопривода (Рисунок 4) необходимо сбросить воздух из камеры А в атмосферу. При этом пружины разжимаются и возвращают поршни в исходное состояние, вызывая поворот вала-шестерни по часовой стрелке.
Конструкция пневмоприводов двустороннего действия аналогична. Однако, в ней отсутствуют возвратные пружины, а движение поршней в обоих направлениях обеспечивается подачей сжатого воздуха (для открытия – в камеру A, для закрытия – в камеру B).
2. Крутящий момент пневмопривода двухстороннего действия
Как известно, крутящий момент является одной из основных характеристик пневмопривода, поскольку именно его величина определяет будет ли достаточно усилия, развиваемого приводом, для проворота присоединённой арматуры или нет. Крутящий момент пневмопривода может быть рассчитан по формуле:
M – крутящий момент,
r – радиус вала-шестерни,
F – сумма сил, действующих на каждый из поршней,
d – диаметр вала-шестерни.
Для пневмоприводов двустороннего действия сила F определяется только разностью давлений в камерах A и B:
S – площадь рабочей поверхности поршня,
PA, PB – давления воздуха в камерах A и B соответственно,
D – диаметр поршня.
При работе пневмопривода совместно с запорной арматурой, одна из камер (A или B) всегда оказывается связанной с атмосферой, а в другую подаётся сжатый воздух из одного итого же источника. В этих условиях получаем:
Fоткр. – сила, действующая на поршни при открытии присоединённой арматуры,
Fзакр. – сила, действующая на поршни при закрытии присоединённой арматуры,
P – давление сжатого воздуха.
Таким образом, крутящий момент пневмопривода двухстороннего действия не зависит от направления движения (открытие или закрытие) и рассчитывается по формуле:
Очевидно, фактический крутящий момент пневмопривода будет несколько меньше расчётного значения, т. к. мы не учитывали трение в деталях конструкции привода. Однако, это не влияет на полученный нами важный вывод.
Крутящий момент пневмопривода двухстороннего действия определяется его конструкцией, он пропорционален давлению управляющей среды и не зависит от угла поворота ступицы и направления движения (открытие или закрытие). На практике давление управляющей среды обычно является постоянным (перед подачей воздуха в привод он проходит через регулятор давления), следовательно, крутящий момент привода является постоянным.
3. Крутящий момент пневмопривода одностороннего действия
На поршни пневматических приводов одностороннего действия помимо сжатого воздуха оказывают воздействие возвратные пружины. Сила воздействия пружин на поршень зависит от их степени сжатия и описывается законом Гука:
Fпр. – сила воздействия пружин на поршень,
n – количество пружин,
F – сила воздействия одной пружины на поршень в исходном состоянии,
k – коэффициент жёсткости пружины,
x – величина сжатия пружин.
Величина сжатия пружин зависит от угла поворота ступицы привода и связана с ним следующим соотношением:
При работе пневмопривода на открытие присоединённой арматуры сила давления сжатого воздуха и сила воздействия пружин направлены в разные стороны, а итоговое значение крутящего момента описывается следующим соотношением:
Fсж. возд. – сила воздействия сжатого воздуха на поршень,
Fпр. – сила воздействия пружин на поршень.
В данной формуле, первое слагаемое характеризует влияние давления сжатого воздуха на момент развиваемый пневмоприводом при движении на открытие, второе – изменение момента в зависимости от угла поворота ступицы, третье – уменьшение момента за счёт предварительного сжатия пружин в исходном состоянии пневмопривода. Коэффициенты при давлении P и угле поворота α не зависят от условий эксплуатации и определяются конструкцией пневмопривода.
При работе пневмопривода на закрытие присоединённой арматуры, воздух из камеры А сбрасывается в атмосферу, а закрытие осуществляется исключительно под действием силы возвратных пружин, поэтому момент закрытия рассчитывается следующим образом:
Как и в случае с пневмоприводами двустороннего действия, мы пренебрегли силами трения, не оказывающими влияния на общую зависимость крутящего момента от тех или иных факторов.
Крутящий момент пневмопривода одностороннего действия определяется его конструкцией и различен при работе привода на открытие и закрытие присоединённой арматуры. При открытии, крутящий момент зависит от давления управляющей среды и угла поворота ступицы привода. При закрытии, крутящий момент зависит только от угла поворота ступицы. На практике давление управляющей среды обычно является постоянным (перед подачей воздуха в привод он проходит через регулятор давления). В этом случае, крутящий момент привода одностороннего действия различен при движении на открытие и закрытие присоединённой арматуры и зависит от угла поворота ступицы.
4. Сравнение крутящего момента приводов одно- и двухстороннего действия
Итак, мы знаем зависимости крутящего момента пневмоприводов одно- и двухстороннего действия, от давления управляющей среды и угла поворота ступицы привода.
На практике, как упоминалось выше, перед пневмоприводом устанавливается редуктор, обеспечивающий стабильное давление управляющей среды. В таком случае, зависимость крутящего момента от угла поворота ступицы привода можно наглядно представить в виде графиков, показанных на Рисунке 5.
Зелёной прямой обозначена зависимость крутящего момента от угла поворота ступицы пневмопривода двустороннего действия, синей – одностороннего действия. Красная линия показывает типовую зависимость крутящего момента шарового крана, необходимого для проворота шара.
Рисунок 5 – Графики зависимости крутящего момента от угла поворота
На этом графике хорошо видны различия между крутящим моментом пневмоприводов одно- и двустороннего действия. Притом, обе линии вычерчены в масштабе для пневмоприводов одного и того же диаметра, а именно для приводов VALMA PNA-SA-105 (одностороннего действия) и PNA-DA-105 (двустороннего действия). Таким образом, хорошо видно что пневмопривод двустороннего действия по отношению к приводу одностороннего действия имеет существенно больший крутящий момент во всём диапазоне угла поворота ступицы.
Если посмотреть на крутящий момент шарового крана и сопоставить его с моментами обоих типов пневмоприводов, то становится ясно что пневмопривод двустороннего действия имеет большой запас и без проблем обеспечит как открытие, так и закрытие крана, привод одностороннего действия того же диаметра будет не способен полностью закрыть кран шар остановится в положении около 8°).
5. Паспортные данные крутящего момента пневмоприводов
В паспортах пневмоприводов значения крутящего момента обычно приводятся в табличном виде, а не в виде графиков. Для пневмоприводов двухстороннего действия таблица предельно проста – для каждого конкретного привода, приводится значение крутящего момента при различном давлении управляющей среды. Так на Рисунке 6 показана таблица с паспортными значениями для пневмоприводов VALMA двухстороннего действия серии PNA-DA.
Крутящий момент пневмоприводов одностороннего действия в паспорте так же представлен в виде табличных данных.
Рисунок 6 – Паспортные данные крутящего момента пневмоприводов VALMA двустороннего действия серии PNA-DA, Н·м 
Рисунок 7 – Паспортные данные крутящего момента пневмоприводов VALMA одностороннего действия серии PNA-SA, Н·м
На графике выше (Рисунок 5), отмечены четыре точки, значение момента в которых указывается в паспорте на пневмопривод. Точки ① и ② относятся к движению привода на открытие, величина момента в этих точках зависит от давления управляющей среды; точки ③ и ④ относятся к движению на закрытие, момент в этих точках определяется только конструкцией пневмопривода (не зависит от давления управляющей среды). Таблица с паспортными значениями крутящего момента пневмоприводов VALMA одностороннего действия серии PNA-SA приведена на Рисунке 7. Опорные точки ①,②,③,④ подписаны под каждым столбцом автором данной статьи и в реальном паспорте привода отсутствуют.
6. Подбор пневмопривода по моменту
При использовании арматуры и пневмопривода одного производителя, как правило, имеются чёткие рекомендации по их совместимости и подбор привода, по сути, не осуществляется – устанавливается привод, рекомендованный производителем. Однако, в процессе модернизации и/или ремонта часто возникает потребность в установке пневмопривода на уже имеющуюся арматуру, т. е. возникает задача правильного подбора пневмопривода. При этом проверяется три основных условия:
Разумеется, проверяются и другие параметры (рабочая температура, устойчивость к воздействию окружающей среды, габаритные размеры и т. д.), однако, три вышеприведённых условия являются основными.
Первое и второе условие проверяется элементарно по чертежам и описанию арматуры и привода. При этом стоит обратить внимание на то, что многие производители приводов предлагают специальные адаптеры для обеспечения совместимости продукции с тем или иным размером/стандартом.
Третье условие проверяется несколько сложнее. Первым делом необходимо определить крутящий момент, требуемый для проворота рабочего органа на тот или иной угол. В идеале, данные по моменту и его зависимости от рабочего давления приводятся в паспорте на арматуру. Однако, в реальных условиях эти данные часто отсутствуют (не были указаны производителем, нечитаема маркировка затвора, условия эксплуатации отличаются от номинальных и т. д.). В этом случае обычно используют данные по крутящему моменту аналогичной арматуры, закладывая в расчёт следующие коэффициенты запаса:
Для правильной совместной работы пневмопривода и присоединённой арматуры, необходимо чтобы крутящий момент требуемый для проворота рабочего органа был меньше момента привода на всём диапазоне углов поворота.
При подборе пневмоприводов двухстороннего действия сопоставляют значение требуемого крутящего момента, полученного с учётом коэффициента запаса, с паспортным значением момента привода при соответствующем условиям эксплуатации давлении управляющей среды.
При подборе пневмоприводов одностороннего действия обычно ориентируются на минимальное значение момента (точку ④ на Рисунке 5). Величина крутящего момента пневмопривода в этой точке должна быть больше момента проворота присоединённой арматуры.
7. Пример подбора пневмопривода по моменту
Исходные данные: требуемый момент 50 Н·м, давление управляющей среды 6 бар.
Подбор пневмопривода двухстороннего действия
После этого проверяем геометрическую совместимость крепёжного фланца и ступицы выбранного привода с соответствующими элементами присоединяемой арматуры.
Рисунок 8 – Подбор пневмопривода по моменту
Подбор пневмопривода одностороннего действия
Осуществляется аналогично пневмоприводам двухстороннего действия, но требует проверки нескольких значений момента. Сначала выбираем модель привода (PNA-SA-105) – Рисунок 9, затем убеждаемся в том что момент привода больше требуемого на всём диапазоне угла поворота ступицы как при движении на открытие, так и при движении на закрытие (Рисунок 10).
После этого проверяем геометрическую совместимость крепёжного фланца и ступицы выбранного привода с соответствующими элементами присоединяемой арматуры.
Рисунок 9 – Подбор пневмопривода по моменту 
Рисунок 10 – Проверка момента привода при разном угле поворота ступицы
В случае геометрической несовместимости привода и присоединяемой арматуры могут использоваться специальные адаптеры/либо привод большего размера.
8. Сравнение пневмоприводов одно- и двухстороннего действия
Главным преимуществом пневмоприводов одностороннего действия является то, что они способны обеспечить возврат арматуры в исходное состояние без использования сжатого воздуха, например, обрыв линии пневмопитания, пониженное давление воздуха в магистрали и т. д.
Пневмоприводы двухстороннего действия, при отсутствии сжатого воздуха не воздействуют на присоединённую арматуру, оставляя её в последнем рабочем положении. Такое поведение обеспечивает непрерывность протекания технологического процесса, но является недопустимым в некоторых применениях.
Преимуществом пневмоприводов двухстороннего действия являются меньшие массогабаритные характеристики и, как следствие, меньшая стоимость при равном значении крутящего момента. Сравнение приводов из прошлого примера приведено на Рисунке 11.
Пневмопривод одностороннего действия, по отношению к пневмоприводу двустороннего действия получился на 80% больше, более чем в 2 раза тяжелее и в 2 раза дороже.
9. Выводы
В данной статье мы рассмотрели особенности конструкции пневмоприводов одно- и двустороннего действия, выявили зависимость крутящего момента от угла поворота ступицы привода, провели соответствие между табличным и графическим способом представления момента и определили плюсы и минусы обоих конструкций, которые кратко могут быть сформулированы следующим образом.
Пневмопривод двухстороннего действия:
+ высокий крутящий момент
+ малый вес
+ компактный размер
+ низкая стоимость
+ обеспечивает непрерывность процесса
– не может обеспечить возврат арматуры в исходное состояние при авариях на линиях пневмопитания
Пневмопривод одностороннего действия (с возвратными пружинами):
+ обеспечивает возврат арматуры в исходное состояние даже при отсутствии сжатого воздуха
– крутящий момент меньше чем у приводов двустороннего действия
– вес и габариты больше чем у приводов двустороннего действия
– высокая стоимость
– возможны прерывания технологического процесса при снижении управляющего давления или обрыве пневмолинии
Способность пневмоприводов одностороннего действия к возврату в исходное состояние даже при отсутствии сжатого воздуха является их главной особенностью и делает данные пневмоприводы незаменимыми при использовании в составе систем противоаварийной защиты.
Малый вес и габариты пневмоприводов двустороннего действия совместно с высоким крутящим моментом и низкой стоимостью привели к их широкому распространению. Такие пневмоприводы используются для управления многими технологическими процессами, однако, они, как правило, не могут быть установлены в составе систем противоаварийной защиты.