Задвижващи механизми за вентили – конструктивни решения и области на приложение

Усъвършенстването на вентилите през годините доведе до превръщането им от елементарни двупозиционни (отворено/затворено) устройства с ръчно управление в много по-сложни технически средства, във възможностите на които е да регулират дебита в даден участък на хидравличните системи. С развитието на използваните индустриални технологии усилено да се работи върху възможностите за дистанционно управление на вентилите. 

Ръчните задвижващи механизми са заменени с електрически двигатели, пневматични и хидравлични цилиндри и соленоиди. Изборът на задвижващ механизъм се определя основно от спецификите на приложението. В процеса на избор е необходимо да се вземат под внимание редица фактори, сред които предназначение на арматурата, точно местоположение в хидравличната система, налични енергийни източници и изискваният вид движение на вентила.

Вентили

Основните елементи на работната сила на вентила са:

• сила на триене в уплътнението на вентила;
• сила на триене в лагера на вретеното на вентила;
• сила на триене на затвора в леглото на вентила;
• сила на триене на затвора при преместване;
• хидродинамична сила върху затвора при преместване;
• т. нар. ефект на буталото;
• сила на триене в резбата на стеблото на вентила.

Повечето от тези елементи присъстват при всички типове вентили, но са с различна големина. В процеса на оразмеряване на арматурата е необходимо предварително да се определи големината на силите, които трябва да бъдат преодолени при работата на вентила, за да може да се оразмери правилно задвижващият го механизъм. Данните могат да се вземат от производителя или да се определят чрез изпитания.

Друг фактор, който трябва да се вземе предвид при избора на задвижващ механизъм, е видът движение, което трябва да извършва. В повечето случаи преместването на работния орган на вентила е въртеливо (многооборотно или четвъртоборотно) или линейно.

Видове задвижващи механизми

Вентилните задвижващи механизми се класифицират според енергията, използвана за привеждането им в движение, и вида на извършваното от тях движение.

Многооборотни задвижващи механизми

Многооборотните задвижващи механизми са едни от най-често срещаните. В електрическия им вариант, електродвигател управлява зъбна или червячна предавка, която задвижва гайка. При движението си гайката зацепва стеблото на вентила, с което отваря или затваря вентила. Сред предимствата на тези задвижващи механизми е голямото им бързодействие.

Основна специфика на многооборотните задвижващи механизми е възможността от вграждане на всички основни и допълнителни конструктивни елементи на вентила в общ корпус, защитен от външни въздействия. Основният недостатък на тези задвижки е, че в случай на прекъсване на енергийното захранване работният орган на вентила остава в последната си работна позиция.

Многооборотни задвижващи механизми, привеждани в движение от пневматични и хидравлични двигатели, се използват най-вече в случаите, при които електрозахранването е недостъпно или трудно осъществимо.

Четвъртоборотни задвижващи механизми

Четвъртоборотните задвижващи механизми са подобни на многооборотните. Основната им конструктивна разлика с многооборотните задвижващи механизми е, че последният елемент на задвижването е секторно зъбно колело от червячна предавка, което се завърта на 90°. Електрическият вариант на този тип задвижване е много компактен и може да бъде използван за управление на малки вентили. Предлагат се и модели с вградена защита чрез използването на резервираща батерия.

Пневматичните и хидравличните задвижвания могат да бъдат решени конструктивно освен с червячна предавка с други предавателни механизми, осигуряващи четвъртоборотно преместване на работния орган на вентила. Те включват зъбно-гребенна предавка, ограничителна вилка, лостов механизъм и др. 

Например, задвижванията със зъбно-гребенна предавка и лопатъчен механизъм осигуряват постоянен въртящ момент, което е желателно при по-малки вентили. Ограничителната вилка и лостовата предавка се използват за по-големи вентили, където е необходимо постигането на голям въртящ момент в началото на работния ход.

Основно предимство на пневматичните четвъртоборотни задвижващи механизми е, че в случай на повреда може да се реализира пружинно връщане на стеблото на вентила.

Линейни задвижващи механизми

Линейните задвижващи механизми се привеждат в движение от флуид или електрически соленоид. Електрическите соленоидни задвижвания обикновено се използват в малки управляващи вентили. Широко е приложението им в пневматични и хидравлични машини. За осигуряване на линейно преместване на работния орган на вентила се използва пневматичното или хидравличното управление, реализирано чрез цилиндри или направляващи дискове (диафрагми).

Сред предимствата на направляващите дискове с пружини е относително линейната работна характеристика на вентила, която осигуряват. В някои приложения това може да премахне необходимостта от използване на позиционен индикатор върху вентила. В сравнение с направляващите дискове, цилиндрите могат да работят при по-високи налягания. Хидравличните и пневматични цилиндри имат нелинейна характеристика и изискват използването на позиционен индикатор.

Избор на задвижващ механизъм

Оптималният избор на задвижващ механизъм се прави с отчитане на спецификите на конкретното приложение. Възможните приложения могат да се разделят в две основни категории - с модулиращо управление и изключващи.

Модулиращите управляващи вентили се използват за непрекъснато регулиране на дебита в дадения клон на хидравличната система с цел управление на даден технологичен процес. Най-често се използват сферични управляващи вентили с диафрагмен тип задвижване. Във възможностите на модулиращите вентили са да сработват до над 1000 пъти в час. По принцип изключващите вентили сработват рядко.

Всеки задвижващ механизъм трябва да бъде подбран с оглед осигуряване на необходимата работна честота на включване/изключване.

Друго важно съображение, което трябва да се вземе под внимание, са характеристиките на средата, в която вентилът и задвижващият механизъм работят. Средата е основният фактор, от който се определя материала на корпуса, както за електрически, така и за пневматични и хидравлични задвижващи механизми, които имат електрически компоненти.

Друг важен фактор при избора на задвижващия механизъм е необходимостта от аварийно спиране на вентила. Пневматичните линейни задвижващи механизми изпълняват лесно това изискване поради по-опростената си конструкция. Тяхна специфична особеност е възможността да съхраняват енергия във флуиден акумулатор или чрез използването на пружина с цел задвижване на вентила до напълно отворено или напълно затворено положение при отпадане на основното енергийно захранване.

Спомагателни елементи

Елементи на задвижващите механизми могат да бъдат редица аксесоари, предназначени да предпазват вентила, да осигуряват възможности за точното му позициониране, както и да повишават надеждността на работа на арматурата. За защита на вентила се използват крайни изключватели, които прекъсват захранването на двигателя в двете крайни положения на работния ход на вентила. 

В други случаи, при които текущият въртящ момент превиши зададената максимална стойност, чрез използването на специален механизъм се преустановява подаването на електрическа енергия. Чрез позиционни сензори се установява текущото положение на регулиращия клапан на вентила. Често вентилите разполагат с възможност за комбинирано управление - ръчно и дистанционно.

Източник: TLL Media; Снимки: Dreamstime

Ключови думи: Задвижващи механизми   вентили   хидравлични системи  

Област: Машиностроене