Hoe Werkt een Pneumatische Roterende Actuator

Een pneumatische roterende actuator gebruikt perslucht om zijn operationele kracht te genereren. Bepaalde modellen zijn speciaal ontworpen voor de afstandsbediening van kleppen. De schone, droge lucht kan worden geleverd door een centraal persluchtstation of, in het geval van een gecomprimeerd gassysteem, door het procesgas zelf. Het uitlaatgas kan vervolgens in de atmosfeer worden afgevoerd of naar een downstream procesleiding met lagere druk worden geleid. Deze actuatoren worden vaak gebruikt om kwartslag- of meeromslagkleppen, zoals kogel- of vlinderkleppen, te automatiseren en op afstand te bedienen.

Een pneumatische roterende actuator bestaat uit een of meer luchtkamers met een zuiger of een balgdiafragma. Afhankelijk van het ontwerp dwingt de luchtdruk de zuiger of het membraan om te bewegen, waardoor een lineaire of roterende beweging ontstaat. Als de gecreëerde beweging lineair is, wordt de lineaire beweging intern omgezet in een roterende beweging. Pneumatische roterende actuators zijn duurzaam, bieden een grote kracht in verhouding tot hun grootte en kunnen worden gebruikt in gevaarlijke omgevingen.

Over het algemeen wordt voor de aandrijving van een roterende klep een roterende actuator gebruikt. Er zijn echter ook ontwerpen die pneumatische cilinders gebruiken, die een lineaire beweging creëren, om koppel te genereren door middel van scharnierarmen of lagers. Het specificeren van pneumatische roterende actuators voor deze toepassingen kan echter het ontwerp vereenvoudigen en de levensduur verlengen. Pneumatische roterende actuators zijn autonoom, daarom worden hun onderdelen niet blootgesteld aan verontreinigingen en agressieve omgevingen, wat betekent dat ze tijdens hun levensduur minder vaak onderhoud nodig hebben.

Enkelwerkend vs. dubbelwerkend

Pneumatische actuators kunnen enkel- of dubbelwerkend zijn. Bij een dubbelwerkende actuator wordt aan beide zijden van de zuiger lucht toegevoerd. Een hogere luchtdruk aan beide kanten creëert beweging om de klep te openen en te sluiten. Een enkelwerkende actuator daarentegen heeft luchttoevoer naar één kant en gebruikt één of meer veren om de zuiger terug in positie te brengen. Een actuator met veerretour kan worden ontworpen om met een veer te worden gesloten of met een veer te worden geopend. Deze actuators besparen perslucht, maar dubbelwerkende actuators bieden een betere controle en werken met hogere cyclussnelheden. In bepaalde toepassingen kan het een voordeel zijn dat veerretouractuators terugkeren naar de basispositie in geval van druk- of stroomverlies.

Ontwerp

In pneumatische roterende actuators wordt de lineaire kracht van een zuiger omgezet in een koppel door mechanismen zoals tandheugel en rondsel of scotch yoke. Actuators van het vaan-type kunnen echter rechtstreeks koppel uit luchtdruk produceren.

Tandheugel en rondsel

Een tandheugel en rondsel, zoals getoond in Figuur 2, bestaat uit een rond tandwiel (het rondsel) dat gekoppeld is aan een lineair tandwiel (de tandheugel). Bij bediening beweegt de zuiger die aan de heugel is bevestigd lineair. Door de tandwielverbinding met het rondsel roteert het met de aangesloten uitgaande as, waardoor de lineaire beweging effectief wordt omgezet in een roterende beweging.

Vaak worden twee zuigers en tandheugels tegenover elkaar geïnstalleerd om de hoeveelheid koppel op het rondsel te verdubbelen, zoals getoond in Figuur 3. In deze dubbelwerkende actuator worden de twee kamers aan de zijkanten gevuld met perslucht die de zuigers naar het midden duwt. Om de zuigers terug te brengen naar de uitgangspositie wordt de kamer in het midden op zijn beurt onder druk gezet.

Het tandheugelontwerp heeft een vrij hoog mechanisch rendement. Ze kunnen een koppelbereik hebben van een paar Nm tot meerdere duizenden Nm.

Versleten tandheugel-en-pignon actuators zijn gevoelig voor speling die wordt veroorzaakt door versleten tandwielen en spelingen tussen de tandwielen, waardoor de nauwkeurigheid afneemt. Waar nauwkeurigheid in positionering essentieel is, worden versies met een dubbel rek aanbevolen. In vergelijking met vaanvormige actuatoren hebben tandheugel-en-pignonontwerpen een groter oscillatiebereik.

Schotse juk

In een Scotch Yoke-mechanisme is de as van de zuiger via een pin en een gleuf verbonden met een roterende as, zoals getoond in Figuur 5. De lineaire beweging van de as zorgt ervoor dat de pen draait. Scotch jukaandrijvingen kunnen veerretour of dubbelwerkend zijn. Deze actuators kunnen ook worden uitgerust met twee tegenover elkaar liggende zuigers om de hoeveelheid koppel op de uitgaande as te verdubbelen, zoals getoond in Figuur 5 aan de rechterkant. Schotse jukactuators zijn actuators voor zware toepassingen die koppels produceren van duizenden tot honderdduizenden Nm.

Vane-type

Een vane-type actuator getoond in Figuur 6 heeft een kamer met een as die erdoorheen loopt en een vaan is ermee verbonden. Wanneer perslucht wordt toegevoerd aan één kant van de vaan, zorgt het drukverschil ervoor dat de vaan en de as gaan draaien.

Vane-type actuators zijn lichte actuators die koppels produceren van een fractie van een Nm tot meerdere honderden. Ze kunnen veerretour of dubbelwerkend zijn en bestaan in configuraties met enkele of dubbele schoepen. Configuraties met dubbele schoepen leveren hogere koppels ten koste van kleinere oscillatiebereiken. De oscillatie van aandrijvingen met dubbele schoepen varieert van 90° tot 100°, terwijl aandrijvingen met enkele schoepen een bereik tot 280° kunnen hebben.

Selectiecriteria

De eerste stap bij het kiezen van een pneumatische roterende actuator is uitzoeken welk type actuator het meest geschikt is voor uw toepassing. Hoewel scotch yoke actuators voornamelijk worden gebruikt voor zware toepassingen, is het verstandig om uw opties te overwegen bij het selecteren van een roterende actuator voor lichte en middelzware toepassingen.  

Tandheugel en rondsel actuators:

• Voordelen:
  • Hoger mechanisch rendement - 90 tot 95%
  • Middelzware toepassingen
  • Snelle bediening
  • Groter bereik van oscillatie
• Nadelen:
  • Neiging tot speling door slijtage
  • Iets duurder

Vane-type actuators:

• Voordelen:
  • Meestal voordeliger in termen van geld voor koppelmogelijkheden
  • Lichte en middelzware toepassingen
  • Nauwkeurige positionering
• Nadelen:
  • Kortere levensduur in vergelijking met tandheugel-en-pignon actuators
  • Iets minder mechanische efficiëntie, voornamelijk door lekken rond de schoep
  • Beperkt oscillatiebereik

De dimensionering van de actuator is dan de volgende stap. Pneumatische actuators worden vaak vooral gekenmerkt door de hoeveelheid koppel die ze kunnen produceren of stoppen en dat leidt tot de dimensionering van de actuator. 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 het selecteren van een roterende actuator zijn de rotatiehoek, het luchtvolume dat nodig is voor de werking, het besturingsmedium, de materialen en de interface, inclusief opties voor de uitgaande as, flensafmetingen en stuurluchtpoorten.