Pneumatische tandheugel en rondsel aandrijvingen
Figuur 1: Roterende actuator met tandheugel en rondsel
Tandheugel-pneumatische actuatoren, ook wel beperkte rotatiecilinders genoemd, zijn roterende apparaten die worden gebruikt voor verschillende mechanische functies zoals draaien, openen, sluiten, mengen, oscilleren, positioneren en sturen, allemaal met beperkte rotatie. Deze actuatoren worden vaak gebruikt voor de automatisering van kwartslagkleppen, zoals kogel- en vlinderkleppen. Ze zetten de energie van samengeperste lucht om in een oscillerende roterende beweging met behulp van een pneumatische cilinder. Het benodigde schone, droge en verwerkte gas voor deze actuatoren wordt geleverd door een centraal persluchtstation, dat doorgaans meerdere pneumatische apparaten binnen een procesinstallatie ondersteunt.
Pneumatische actuators zijn, in vergelijking met hun elektrische tegenhangers, over het algemeen duurzamer, beter geschikt voor gevaarlijke omgevingen en minder duur. Bovendien hebben ze vaak minder onderhoud nodig en leveren ze een hoger koppel in vergelijking met hun grootte. Lees ons artikel over de pneumatische halfroterende aandrijvingen van Festo om meer te weten te komen over een specifieke tandheugel- en rondsel-aandrijving.
Inhoudsopgave
Bekijk onze online selectie van pneumatische roterende actuators!
Ontwerp
In een pneumatische tandheugel-en-pignon actuator wordt de lineaire kracht van een zuiger die wordt aangedreven door perslucht omgezet in een roterend koppel via een tandheugel-en-pignon tandwielmechanisme. Een tandheugel met rondsel, zoals getoond in Figuur 2, bestaat uit een rond tandwiel, het rondsel, dat in een lineair tandwiel, de tandheugel, grijpt.
Figuur 2: Tandwielen met tandheugel en rondsel
De tandheugel is machinaal in de zuiger aangebracht en de tandheugel is nauwkeurig gekoppeld aan het rondsel. Wanneer de kamer gevuld wordt met perslucht, schuift de zuiger samen met de heugel uit of in waardoor het rondsel via de tandwielverbinding draait.
Ontwerp met één rek vs. twee rekken
Tandheugel en rondsel actuators bieden het grootste koppel- en rotatiebereik in vergelijking met andere conversiemechanismen voor het omzetten van lineaire kracht naar roterend koppel. Ze hebben een hoog mechanisch rendement en de koppels die ze kunnen produceren variëren van een paar Nm tot meerdere duizenden Nm.
Een potentieel nadeel van het tandheugel-en-pignonontwerp is echter speling. Speling treedt op wanneer tandheugel en rondsel niet volledig uitgelijnd zijn en er een kleine opening is tussen elke tandwielverbinding. Deze verkeerde uitlijning kan tijdens de levensduur van de actuator slijtage aan de tandwielen veroorzaken, waardoor de speling toeneemt.
Een dubbel tandheugel gebruikt een paar tandheugels aan weerszijden van het rondsel. Dit helpt speling als gevolg van een tegenkracht te elimineren en verdubbelt ook het uitgaande koppel van de eenheid en verhoogt de mechanische efficiëntie van het systeem. In de dubbelwerkende actuator getoond in Figuur 3, worden de twee kamers aan de zijkanten gevuld met lucht onder druk, die de zuigers naar het midden duwen en om de zuigers terug te brengen naar de beginpositie, wordt de kamer in het midden op zijn beurt onder druk gezet.
Figuur 3: Dubbelwerkende dubbele tandheugel-en-pignon roterende actuators
Functie
Pneumatische actuators met tandheugel en rondsel kunnen enkelwerkend of dubbelwerkend zijn. Het is ook mogelijk dat deze actuators meerdere stops bieden.
Enkelwerkend vs. dubbelwerkend
Bij een enkelwerkende actuator wordt lucht slechts aan één kant van de zuiger toegevoerd en is deze verantwoordelijk voor de beweging van de zuiger in slechts één richting. De beweging van de zuiger in de tegenovergestelde richting wordt uitgevoerd door een mechanische veer. Enkelwerkende actuators besparen perslucht, maar werken slechts in één richting. Een nadeel van enkelwerkende cilinders is de inconsistente uitgaande kracht over een volledige slag als gevolg van de tegengestelde veerkracht. Figuur 4 toont een enkelwerkende pneumatische roterende actuator met dubbele rails.
Figuur 4: Enkelwerkende pneumatische draaiaandrijving met dubbele rail
In een dubbelwerkende actuator wordt lucht toegevoerd aan kamers aan beide zijden van de zuiger(s). Een hogere luchtdruk aan de ene kant kan de zuiger(s) naar de andere kant drijven. Dubbelwerkende actuators worden gebruikt als er in beide richtingen moet worden gewerkt. Figuur 5 toont een dubbelwerkende pneumatische draaiaandrijving met dubbele rail.
Een van de voordelen van dubbelwerkende cilinders is de constante uitgaande kracht over een volledig rotatiebereik. De nadelen van dubbelwerkende cilinders zijn dat er perslucht nodig is voor beweging in beide richtingen en dat er geen gedefinieerde positie is in geval van een stroom- of drukstoring.
Figuur 5: Dubbelwerkende pneumatische draaiaandrijving met dubbele rail
Meervoudige positionering
Sommige tandheugel en rondsel actuators zijn in staat om op meerdere posities in het bereik van een rotatie te stoppen door de druk op de poorten te regelen. De stopposities kunnen in willekeurige volgorde zijn, zodat de actuator selectief een tussenliggende stoppositie kan passeren.
Stopbouten
De bouten voor de eindaanslag bevinden zich aan de zijkant van het actuatorhuis (zie figuur 6) en maken het mogelijk om de eindposities van de zuigers aan te passen door de rotatie van het rondsel van binnenuit te beperken. Wanneer u de actuator installeert, moet u beide bouten van de slagbegrenzer indraaien tot ze contact maken met de slagbegrenzingskap. Ga door met het vastschroeven van de linker aanslagbout totdat de gleuf van het rondsel, zichtbaar aan de bovenkant, draait naar de positie die evenwijdig is aan de lengte van het actuatorhuis.
Figuur 6: Onderdelen van de pneumatische actuator met tandheugel en zuiger: veerelementpakket (A), nok voor slagbegrenzing (B), positie-indicator (C), eindkap (D), behuizing (E), integrale poort (F), zuigerafdichting (G), lager van uitgaande as (H), uitgaande as (I), zuiger (J), stelschroeven voor slagbegrenzing (K), pneumatische poort (L), zuigergeleider (M) en zuigerveer (N).
Normen
Om compatibel en uitwisselbaar te zijn met de producten van verschillende fabrikanten, zijn de meeste pneumatische tandheugel-en-pignon actuators gestandaardiseerd. Deze standaarden specificeren afmetingen voor verschillende onderdelen, zoals de actuator-naar-klep interface, luchtpoorten, positie-indicator interface en vormen van de asaandrijving. Ze zijn te zien in Figuur 6.
Figuur 7: Behuizing en montagevlakken: accessoire-interface volgens VDI/VDE 3845 (A & E), positie-indicator volgens NAMUR-norm (B), slagbegrenzingsbouten (C), ISO 5211-montage (D).
ISO 5211: 2017
ISO 5211:2017 specificeert vereisten voor de bevestiging van part-turn actuators aan industriële afsluiters en is te zien in Figuur 7. Het specificeert afmetingen van de flens en aandrijfcomponenten, evenals koppelwaarden voor de gespecificeerde interfaces en koppelingen.
NAMUR VDI/VDE 3845: 2010-09
Deze standaard bevat specificaties van de interface tussen de actuator en een procesklep die perslucht levert, en is te zien in Figuur 7. Het kan ook worden gebruikt als een accessoire-interface bovenop de actuator, bijvoorbeeld een positieterugkoppelingsschakelaar of -sensor. NAMUR-kleppen bieden een montage-interface volgens VDI/VDE 3845, met twee luchtpoorten aan de vlakke kant van de klep en extra gaten om de klep op het aandrijfhuis te bevestigen.
Selectiecriteria
Er zijn verschillende factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van een pneumatische actuator met tandheugel en rondsel voor uw toepassing.
Voor geen speling aan elk uiteinde van de rotatie en een hogere stopnauwkeurigheid wordt een actuator met dubbele heugel aanbevolen, terwijl voor lichtere toepassingen waar een compact ontwerp gewenst is, een actuator met enkele heugel kan worden gespecificeerd.
Een actuator van een bepaalde grootte levert waarschijnlijk ook een koppelbereik dat afhankelijk is van de stuurdruk die eraan wordt toegevoerd. Andere criteria waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van een roterende actuator zijn het oscillatiebereik, het luchtvolume dat nodig is voor de werking, het besturingsmedium en de interface, inclusief opties voor de uitgaande as, flensafmetingen en stuurluchtpoorten.
Toepassingen
Vanwege hun constante koppel worden tandheugel en rondsel actuators vaak gebruikt en hebben ze vaak de voorkeur als pneumatische actuators voor kleppen. Ze worden gebruikt voor mengen, storten, intermitterend voeden, continu roteren, omdraaien, positioneren, oscilleren, heffen, openen en sluiten en draaien. Deze actuators worden gebruikt voor verschillende mechanische functies in de staalindustrie, materiaalverwerking, scheepvaart, bouwapparatuur, mijnbouwmachines en hydraulische stuurbekrachtiging.
