Gdy cylinder pneumatyczny porusza się zbyt szybko lub ma problemy z drganiami typu stick-slip, rozwiązaniem zwykle jest właściwy dobór i instalacja zaworu sterującego przepływem. Pneumatyczny zawór sterujący przepływem reguluje przepływ sprężonego powietrza w celu kontrolowania prędkości siłownika, co czyni go niezbędnym w każdym zautomatyzowanym systemie wymagającym precyzyjnego synchronizacji ruchu. W przeciwieństwie do swoich hydraulicznych odpowiedników, zawory te muszą obsługiwać dynamikę płynów ściśliwych, gdzie stosunki ciśnień i warunki przepływu dźwięku zasadniczo zmieniają charakterystykę sterowania.
Jak działają pneumatyczne zawory sterujące przepływem
Podstawowa funkcja polega na tworzeniu zmiennego ograniczenia na ścieżce powietrza. Gdy sprężone powietrze przechodzi przez zwężony otwór, energia ciśnienia zamienia się w energię kinetyczną, powodując spadek ciśnienia, który zmniejsza natężenie przepływu za urządzeniem. Jednak sprężone powietrze zachowuje się inaczej niż nieściśliwe ciecze, wprowadzając złożoności, które wpływają na stabilność sterowania.
Kiedy powietrze przepływa przez zwężenie, zależność pomiędzy ciśnieniem przed ($P_1$) i ciśnieniem za ($P_2$) określa reżim przepływu. Przy umiarkowanych spadkach ciśnienia przepływ wzrasta proporcjonalnie do różnicy ciśnień. Jednakże, gdy stosunek ciśnień $P_2/P_1$ spadnie poniżej wartości krytycznej (zwykle około 0,528 dla powietrza), prędkość przepływu w gardzieli osiąga lokalną prędkość dźwięku. Ten stan, zwany przepływem dławionym lub przepływem dźwiękowym, stanowi podstawowe ograniczenie.
W przypadku przepływu zdławionego dalsze zmniejszanie ciśnienia za zaworem nie zwiększa już masowego natężenia przepływu. Przepływ faktycznie „osiągnął maksimum” przy prędkości dźwięku przez otwór o takim rozmiarze. To zjawisko fizyczne zapewnia naturalną stabilność układów pneumatycznych.
Norma dotycząca natężenia przepływu ISO 6358Tradycyjne hydrauliczne wartości Cv nie są wystarczające w zastosowaniach pneumatycznych, ponieważ opierają się na nieściśliwym przepływie wody. Norma ISO 6358 rozwiązuje ten problem za pomocą dwóch parametrów:
- Przewodność dźwięku (C):Maksymalna przepustowość w warunkach zdławionych, wyrażona w dm3/(s·bar).
- Krytyczny współczynnik ciśnień (b):Punkt przejścia między przepływem poddźwiękowym i dźwiękowym (zwykle 0,2 do 0,5).
Równania przepływu oparte na tych parametrach to:
Dla przepływu zdławionego, gdy $P_2/P_1 \le b$:
$$ Q = C \cdot P_1 \cdot K_t $$Dla przepływu poddźwiękowego, gdy $P_2/P_1 > b$:
$$ Q = C \cdot P_1 \cdot K_t \cdot \sqrt{1 - \left(\frac{\frac{P_2}{P_1} - b}{1 - b}\right)^2} $$Gdzie $K_t$ jest współczynnikiem korekcji temperatury.
Konstrukcja wewnętrzna i komponenty
Typowy regulator prędkości łączy w jednej kompaktowej obudowie dwie funkcje: zawór dławiący i zawór zwrotny.
Materiały korpusu zaworu:Wybór zależy od środowiska. Mosiądz niklowany służy ogólnym potrzebom fabrycznym, a anodowane aluminium zmniejsza wagę. Stal nierdzewna (304/316) jest niezbędna w obszarach mycia, a tworzywa konstrukcyjne (PBT) oferują ekonomiczne i lekkie rozwiązania.
Konstrukcja zaworu iglicowego:W konstrukcjach wysokiej jakości zastosowano gwinty o drobnym skoku (10-15 obrotów) umożliwiające precyzyjną kontrolę w zakresie 10-50 mm/s. Kąt zbieżności wpływa na krzywą charakterystyczną — zbieżność liniowa zapewnia proporcjonalne zmiany, natomiast zbieżność stałoprocentowa zapewnia lepszą kontrolę przy niskich otworach.
Sprawdź konfigurację zaworu:Zintegrowany zawór zwrotny umożliwia swobodny przepływ w odwrotnym kierunku. Typy uszczelek wargowych są zwarte, ale mogą przeciekać przy niskim ciśnieniu; typy kulkowe lub grzybkowe zapewniają ciaśniejsze odcięcie, ale wymagają więcej miejsca.
Strategie kontroli wejścia i wyjścia licznika
Pozycja montażowa ma zasadniczy wpływ na zachowanie systemu. To rozróżnienie powoduje więcej problemów w terenie niż jakikolwiek inny aspekt pneumatycznego sterowania przepływem.
Kontrola wyjścia licznika (ograniczenie spalin)W tej konfiguracji zawór zwrotny umożliwia swobodny przepływ do cylindra, podczas gdy igła ogranicza przepływ powietrza wylotowego z przeciwległej komory. Zasada działania tworzy poduszkę dociskową. Gdy tłok się porusza, powietrze wylotowe wytwarza przeciwciśnienie, poprawiając sztywność i zapobiegając drganiom ciernym.
Kontrola wejścia licznika (ograniczenie zasilania)Tutaj igła ogranicza dopływ powietrza, podczas gdy wylot jest swobodnie odprowadzany. Często prowadzi to do niestabilnego ruchu („szarpnięcia”), ponieważ ciśnienie w komorze zasilającej spada wraz ze wzrostem objętości, powodując zatrzymanie tłoka do czasu odbudowania ciśnienia.
„Jeśli masz wątpliwości, odmierz”. Dozowanie jest domyślnym wyborem w przypadku cylindrów dwustronnego działania. Dopływ powinien być zarezerwowany wyłącznie dla cylindrów jednostronnego działania (sprężyna powrotna) lub określonych zastosowań związanych z miękkim startem.
| Charakterystyczny | Licznik-Out (wydech) | Wejście licznika (zasilanie) |
|---|---|---|
| Płynność ruchu | Doskonały (zapobiega poślizgowi) | Słaby (skłonny do szarpania) |
| Obsługa ładunku | Dobre tłumienie obciążeń wyprzedzających | Ryzyko ucieczki pod obciążeniem grawitacyjnym |
| Stabilność prędkości | Wysoka (efekt poduszki) | Zmienna (w zależności od podaży) |
| Najlepsze aplikacje | Cylindry dwustronnego działania | Cylindry jednostronnego działania |
Proces doboru i doboru zaworu
Właściwy dobór pozwala uniknąć zbyt małych zaworów, które ograniczają siłę siłownika, oraz zbyt dużych zaworów, które pogarszają rozdzielczość sterowania prędkością.
Rozpocznij od obliczenia wymaganego przepływu na podstawie specyfikacji cylindra:
$$ Q = \frac{A \cdot L \cdot 60}{t} $$Gdzie $A$ to powierzchnia tłoka (cm²), $L$ to długość skoku (cm), a $t$ to czas skoku (w sekundach).
Spadek ciśnienia:Ograniczyć spadek ciśnienia na zaworze do 0,5-1,0 bar przy przepływie znamionowym. Wyższe krople marnują energię; wyjątkowo niskie spadki wskazują na przewymiarowany zawór i słabą rozdzielczość.
Instalacja i rozwiązywanie problemów
Zamontować zawór kontroli przepływu jak najbliżej przyłącza butli. Długie przewody tworzą ściśliwą objętość działającą jak sprężyna powietrzna, co pogarsza reakcję.
Początkowa regulacja:Rozpocznij od otwarcia igły na 3-4 obroty. Jeżeli wystąpi stick-slip, sprawdzić kontrolę wyjścia licznika. Jeśli ruch jest zbyt szybki, zamykaj stopniowo, w odstępach ćwierćobrotowych.
| Objaw | Prawdopodobna przyczyna | Rozwiązanie |
|---|---|---|
| Gwałtowny ruch (stick-slip) | Sterowanie dozowaniem na cylindrze dwustronnego działania | Skonfiguruj ponownie, aby uzyskać licznik wyjściowy |
| Prędkość zmienia się w połowie skoku | Wahania ciśnienia zasilania | Zainstaluj dedykowany regulator |
| Brak kontroli prędkości | Zanieczyszczenie lub złamana igła | Sprawdź filtr; wymienić zawór |
| Cylinder dryfuje po zatrzymaniu | Sprawdź wewnętrzną nieszczelność zaworu | Wymienić zawór; sprawdzić zanieczyszczenie |
Konserwacja i żywotność
Pneumatyczne zawory sterujące przepływem zaliczają się do elementów wymagających niewielkiej konserwacji, ale regularne przeglądy zapobiegają nieoczekiwanym awariom.
W normalnych warunkach przemysłowych, przy odpowiednio przefiltrowanym powietrzu (minimum 40 mikronów), zawory wysokiej jakości spełniają swoje zadanie5-10 latżywotności.
Czynniki redukujące życie:
- Zanieczyszczony dopływ powietrza (skraca żywotność uszczelnienia o połowę)
- Ekstremalne temperatury wykraczające poza parametry uszczelnienia
- Agresywna regulacja powodująca zużycie gwintu
- Narażenie chemiczne (wymaga stali nierdzewnej/FKM)
W miarę ewolucji systemów przemysłowych pneumatyczne sterowanie przepływem dostosowuje się poprzez włączenie czujników i łączności sieciowej. Podczas gdy pojawiające się siłowniki elektryczne zapewniają precyzję, pneumatyka pozostaje doskonała w zastosowaniach wymagających dużych prędkości i krótkich skoków, w atmosferach wybuchowych i środowiskach płukania, gdzie wymagana jest solidna tolerancja na przeciążenia.
